TWI632115B - 鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的課題在於連續製造一種為奈米級的小粒徑、且具有高結晶性的鋰離子電池用活性物質粒子。本發明的鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法的特徵在於包括如下步驟:於0.3 MPa以上且500 MPa以下的加壓下使可藉由混合誘發化學反應而生成鋰離子電池用活性物質粒子或鋰離子電池用活性物質前驅物粒子的多種原料溶液分別流入原料供給用流路,使所述多種原料溶液在該原料供給用流路的合流點混合,藉由所述化學反應而連續生成鋰離子電池用活性物質粒子,或連續生成鋰離子電池用活性物質前驅物粒子。

Description

鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法
本發明是有關於一種連續製造鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法。
已知鋰離子電池在充放電時電子與鋰離子於電池內移動,藉由提高其移動速度,可提高電池的充放電特性。由於最妨礙電子及鋰離子的移動的是在活性物質粒子的內部移動時,因此藉由減小活性物質粒子的粒徑而進行奈米粒子化,從而減小電子與鋰離子的粒子內移動距離,及提高活性物質粒子的結晶性以使電子與鋰離子可在粒子內順暢地移動,可有效地提高充放電特性。
將活性物質粒子進行奈米粒子化的方法有:如使具有微米級的粒徑的活性物質粒子破碎而獲得的粉碎型方法;以及由原料直接製造活性物質奈米粒子的構築型方法。所謂粉碎型是使用球磨機或珠磨機等介質分散而使大至某種程度的活性物質破碎的方法,具有容易適合任何材料的優點,另一方面,存在如下難點:在破碎過程中容易產生混入介質的碎片的污染的問題,並且為了獲得粒徑小於100nm的奈米粒子,必須進行長時間的處理。
因此,近來正研究構築型的奈米粒子化方法。構築型多 為藉由液相進行合成的方法,具體而言,是使原料溶解或分散於溶媒中,一面進行攪拌一面加熱,藉此生成活性物質奈米粒子的方法。
提高活性物質粒子的結晶性的方法有對粒子進行加熱而進行退火的方法,但若對奈米粒子進行退火,則粒子彼此會燒結而成長,粒徑容易變大。因此,提出有在加壓狀態下合成粒子,自剛合成後獲得結晶性高的粒子的方法。
專利文獻1所揭示的方法是稱為水熱合成的方法,是將原料溶解於水中後,將其密封於耐壓容器中並進行加熱,藉此製造經奈米粒子化的鋰離子二次電池的活性物質。
非專利文獻1所揭示的方法是稱為超臨界合成的合成方法,是使溶解有原料的溶液成為高溫、高壓的超臨界狀態,藉此製造經奈米粒子化的鋰離子電池用活性物質。於專利文獻1及非專利文獻1的方法中,由於合成時的反應系統會曝露於高壓中,因此有所獲得的粒子的結晶性高、粒徑容易變小的傾向。
現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1:國際公開第2009/313095號
非專利文獻
非專利文獻1:「電化學學報(Electrochimica Acta)」85(2012)548
使用專利文獻1的方法亦可將鋰離子電池用活性物質進行奈米粒子化,但為了進行大量生產,必需巨大的耐壓.耐熱容器,進而生產為批次式,難以連續生產粒子。
非專利文獻1的方法由於是在超臨界狀態下進行合成,因此裝置的大型化或大量生產困難。
本發明的目的在於提供一種簡便且高效率地製造結晶性高的奈米粒子狀的鋰離子電池用活性物質的方法。
用以解決所述課題的本發明是一種鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法,其特徵在於包括如下步驟:於0.3MPa以上且500MPa以下的加壓下使可藉由混合誘發化學反應而生成鋰離子電池用活性物質粒子或鋰離子電池用活性物質前驅物粒子的多種原料溶液分別流入原料供給用流路,使所述多種原料溶液在該原料供給用流路的合流點混合,藉由所述化學反應而連續生成鋰離子電池用活性物質粒子,或連續生成鋰離子電池用活性物質前驅物粒子。
根據本發明的製造方法,可簡便且高效率地製造具有奈米級的粒徑、且具有高結晶性的鋰離子電池用活性物質。
於本發明的製造方法中,首先,製備多種原料溶液。此處,所謂原料溶液是指將用以生成該奈米粒子的原料溶解於溶媒中而得者,且可藉由混合多種所述原料溶液誘發化學反應而生成鋰離子電池用活性物質粒子或鋰離子電池用活性物質前驅物粒子的溶液。
藉由本發明的製造方法所製造的鋰離子電池用活性物質可為正極活性物質、負極活性物質中的任一者。
作為正極活性物質,除了稱為尖晶石型的LiMn2O4以外,可列舉LiMPO4或Li2MSiO4、Li2MPO4F(M是自Fe、Co、Mn、Ni中選擇一種以上)。
於可藉由混合誘發化學反應而生成鋰離子電池用活性物質粒子的多種原料溶液較佳為包含含有鋰化合物的第1原料溶液、及含有過渡金屬的第2原料溶液。構成正極活性物質的元素中,鋰、過渡金屬以外的原料化合物可添加於第1原料溶液與第2原料溶液中的任一種原料溶液中。另外,亦可不添加於所述任一種原料溶液中而添加於第3原料溶液或第4原料溶液中。於製造含有兩種以上的過渡金屬元素的活性物質的情形時,可將各過渡金屬以分開的原料溶液的形式製備第3原料溶液、第4原料溶液。但為了防止流路的阻塞,於將多種原料化合物溶解於一種原料溶液中的情形時,較佳為避免引起析出反應的組合。另外,關於氧 可使用溶媒中所含的溶存氧,可無需作為原料而添加。
原料溶液中所含的過渡金屬為了溶解於溶媒中,較佳為使用鹽,考慮到於水或有機溶媒中的溶解性,更佳為使用碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鹽酸鹽、硝酸鹽、乙酸鹽或乙醯丙酮酸鹽,考慮到於作為通用溶媒的水中的溶解性,尤佳為使用硫酸鹽、硝酸鹽、或乙酸鹽。
另外,作為鋰化合物,考慮到於水或有機溶媒中的溶解性,較佳為使用鹽,其中更佳為碳酸鋰、氫氧化鋰,考慮到於作為通用溶媒的水中的溶解性,尤佳為使用氫氧化鋰。
具體而言,於LiMn2O4的情形時,較佳為使用溶解有Li鹽的第1原料溶液、及溶解有Mn鹽的第2原料溶液的組合。於LiMPO4的情形時,可為溶解有Li鹽的第1原料溶液、與溶解有M鹽及磷酸化合物的第2原料溶液的組合,或可為溶解有Li鹽的第1原料溶液、溶解有M鹽的第2原料溶液及溶解有磷酸化合物的第3原料溶液的三種液的組合。再者,若將Li鹽與磷酸化合物混合,則容易引起析出反應,因此較佳為避免溶解有Li鹽與磷酸化合物的原料溶液與溶解有M鹽的原料溶液的組合。
於Li2MSiO4的情形時,除了溶解有Li鹽的第1原料溶液、溶解有M鹽的第2原料溶液、及溶解有Si化合物的第3原料溶液的三種液的組合以外,亦可於不引起析出的範圍內混合而製成兩種液。於Li2MPO4F的情形時,除了溶解有Li鹽的第1原料溶液、溶解有M鹽的第2原料溶液、溶解有磷酸化合物的第3原 料溶液、及溶解有氟化合物的第4原料溶液的四種液的組合以外,亦可於不引起析出的範圍內混合而製成三種液或兩種液。
另外,所謂鋰離子電池用活性物質前驅物粒子是指含有最終獲得的鋰離子電池用活性物質所含的元素的至少一部分的化合物粒子,且可藉由某種追加處理而轉換為鋰離子電池用活性物質的粒子。
於正極活性物質的製造中,作為此種前驅物粒子,較佳為含有最終獲得的活性物質所含的元素中除了鋰與氧以外的全部元素的化合物的粒子,更具體而言,較佳為過渡金屬鹽的粒子。作為此種過渡金屬鹽的粒子,除了含有選自由鎳、錳、鈷及鋁所組成的群組中的一種過渡金屬元素的氫氧化物粒子、碳酸鹽粒子、乙醯丙酮酸鹽粒子以外,可列舉含有選自該群組中的兩種以上的過渡金屬元素的複合氫氧化物粒子、或複合碳酸鹽粒子、複合乙醯丙酮酸鹽粒子。藉由將此種前驅物粒子與氫氧化鋰或碳酸鋰之類的鋰化合物等鋰源加以混合並進行煅燒,可獲得稱為層狀岩鹽型的LiCoxNiyO2(其中x+y=1)、Li(NixCoyAlz)O2(其中x+y+z=1)、Li(NixMnyCoz)O2(其中x+y+z=1)、稱為過量鋰系的Li2MnO3-Li(NixMnyCoz)O2(其中x+y+z=1)之類的鋰離子電池用正極活性物質粒子。
作為可生成鋰離子電池用活性物質前驅物粒子的原料溶液,較佳為使用含有過渡金屬的第1原料溶液、與含有該前驅物粒子所含的過渡金屬以外的元素的第2原料溶液的組合。於製 作過渡金屬鹽的粒子作為前驅物粒子的情形時,較佳為使用:包含含有過渡金屬的第1原料溶液、及含有與該第1原料溶液所含的過渡金屬形成鹽的相對離子的第2原料溶液的多種原料溶液。於該情形時,第1原料溶液中所含的過渡金屬為了溶解於溶媒中,較佳為使用鹽,考慮到於水或有機溶媒中的溶解性,更佳為使用碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鹽酸鹽、硝酸鹽、乙酸鹽或乙醯丙酮酸鹽,考慮到於作為通用溶媒的水中的溶解性,尤佳為使用硫酸鹽、硝酸鹽或乙酸鹽。
具體而言,於(複合)氫氧化物奈米粒子M(OH)2(其中,M為(NixCoyAlz)或(NixMnyCoz),於任一者中均為x+y+z=1)的情形時,可使用溶解有過渡金屬的一種以上的原料溶液、與溶解有含有氫氧化物離子的化合物的原料溶液的組合。另外,於(複合)碳酸鹽奈米粒子MCO3(其中,M為(NixCoyAlz)或(NixMnyCoz),於任一者中均為x+y+z=1)的情形時,可使用溶解有過渡金屬的一種以上的原料溶液、與溶解有含有碳酸鹽的化合物的原料溶液的組合。另外,於(複合)乙醯丙酮酸鹽奈米粒子M(C5H7O2)2(其中,M為(NixCoyAlz)或(NixMnyCoz),於任一者中均為x+y+z=1)的情形時,可使用溶解有過渡金屬的一種以上的原料溶液、與溶解有含有乙醯丙酮酸鹽的化合物的原料溶液的組合。
原料溶液的溶媒可考慮原料的溶解度而進行適當選擇。溶媒可為一種,亦可為兩種以上的混合溶媒。另外,若選擇 對粒子具有配位性的配位性溶媒,則可期待將合成後的粒子進行小粒徑化的效果,因此較佳為將配位性溶媒用於至少一部分中。
於配位性溶媒中,作為較佳的溶媒,可列舉醇系溶媒,具體而言,可列舉:乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、2-丙醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇。亦可使用胺系溶媒作為較佳的配位性溶媒,除了己胺、庚胺、辛胺、壬胺、癸胺、二辛胺、三辛胺、哌嗪等直鏈狀、支鏈狀或環狀的飽和脂肪族一級、二級或三級胺以外,可列舉油胺、亞麻油胺、次亞麻油胺等直鏈狀、支鏈狀或環狀的不飽和脂肪族一級、二級或三級胺。
作為除此以外可較佳地使用的配位性溶媒,可列舉:丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、十一酸、十二酸等直鏈狀、支鏈狀或環狀的飽和單羧酸;庚烯酸、肉豆蔻油酸、棕櫚油酸、油酸、亞麻油酸、α-次亞麻油酸、γ-次亞麻油酸、反油酸(elaidic acid)、異油酸(vaccenic acid)、鱈油酸(gadoleic acid)、二十烯酸、芥子酸、二十四烯酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸等直鏈狀、支鏈狀或環狀的不飽和單羧酸。
多種原料溶液所使用的溶媒分別可不相同,亦可相同,於使用不同的溶媒的情形時,較佳為相溶的溶媒的組合。藉由相溶,可期待於混合時原料均勻混合,而可製造雜質少、且組成均勻的奈米粒子。
於本發明的製造方法中,是於加壓狀態下將多種原料溶液加以混合,通常混合後一面降低壓力一面噴出混合溶液。因此, 與利用燒瓶等進行合成的情形不同,難以將混合後的原料溶液保持為加壓狀態而持續至粒子生成反應結束。因此,於本發明的製造方法中的化學反應中,較佳為原料溶液含有混合後立即生成粒子的反應機制,具體而言,較佳為活性物質粒子或活性物質前驅物粒子的生成反應中包含中和反應。因此,較佳為將至少一種原料溶液的pH值設為5以下,將其他的至少一種原料溶液的pH值設為9以上。
進而,於本發明的製造方法中,由於可使多種原料溶液按照一定的比率合流,因此合流後的pH值容易變得一定,可尤佳地適應需根據反應的進行而持續維持pH值的活性物質粒子合成。例如,於現有的製造複合碳酸鹽粒子作為Li(Mn1/3Ni1/3Co1/3)O2的前驅物時,是於Ni、Mn、Co的硫酸鹽的水溶液中滴加Na2CO3,滴加時為了將溶液的pH值維持為7而適當追加氨水,但pH值穩定之前需要一定的時間。於本發明的製造方法中,預先於Na2CO3中添加氨水,使其於流路合流位置與硫酸鹽水溶液進行反應,藉此可立即使反應後的混合液的pH值變得穩定。
於本發明的製造方法中,於加壓下使所述的多種原料溶液分別流入原料供給用流路,在該原料供給用流路的合流點,藉由化學反應而連續生成鋰離子電池用活性物質粒子或鋰離子電池用活性物質前驅物粒子。
於在加壓下使之合流時,較佳為藉由柱塞泵將原料溶液分別送至流路而使之合流。柱塞泵與流路的數量只要為最低原料 溶液的數量即可,於該情形時,就柱塞泵的性質方面而言,原料是被間歇性地供給至合流位置,於合流位置產生原料滯留的時間。因此,為了更穩定地進行製造,更佳為以使各原料溶液分別流入兩條原料供給用流路的方式構成,而形成不間斷地供給原料溶液的無脈動動作。
為了對合流位置處的原料彼此的接觸面積進行限定而使原料的反應變得均勻,原料供給用流路的合流點前的流路直徑較佳為設為3mm以下,更佳為設為0.5mm以下。另外,為了抑制流經流路的原料的壓力損失,較佳為設為0.05mm以上,更佳為設為0.1mm以上。
為了使所生成的粒子的粒徑充分小,並且使結晶性充分高,而將合流時的壓力設為0.3MPa以上且500MPa以下。由於壓力越高,可使處理時間越短,因此合流時的壓力較佳為1MPa以上,更佳為10MPa以上。另外,若壓力過高,則合流後溶液的溫度上升變大,存在溶媒爆沸或進行副反應的可能性,因此壓力較佳為250MPa以下。
於原料供給用流路的合流點,較佳為以原料溶液均勻反應的方式將原料溶液充分混合。因此,較佳為於原料供給用流路的合流點附近對合流後的原料溶液施加擾流。作為用以施加擾流的方法,並無特別限定,可列舉使合流後成為一條的流路於剛合流後彎成直角、於合流點設置攪拌板等方法。
於存在三種以上的原料溶液的情形時,可使合流匯合於 一個部位而使之一次性進行反應,或亦可於兩個部位以上合流而使反應成為多段式。
實施本發明的製造方法的製造裝置較佳為使用濕式噴射磨機。作為此種濕式噴射磨機,可列舉JN系列(常光股份有限公司製造)、Starburst(註冊商標)系列(速技能機械(Sugino Machine)股份有限公司製造)、NanoVater(註冊商標)系列(吉田機械興業股份有限公司製造),尤佳為使用與NanoVater用微反應器(吉田機械興業股份有限公司製造)組合的NanoVater。
另外,原料溶液較佳為於原料供給用流路的合流點,以達到生成鋰離子電池用活性物質粒子或鋰離子電池用活性物質前驅物粒子的化學反應所需的反應溫度以上的方式在混合(合流)前預先進行溫度調整。藉由在混合前對原料溶液進行溫度調整,於合流時粒子的生成反應立即進行,而可獲得結晶性高、小粒徑的粒子。另外,由於未達到反應溫度,因此可防止生成目標物以外的產物。特別是於製造若未達到反應溫度則容易引起副反應的橄欖石系活性物質、即LiMPO4(M是自Fe、Co、Mn、Ni中選擇一種以上)的情形時尤其有效,具體而言,較佳為使原料溶液合流後的溫度成為60℃以上且120℃以下,更佳為80℃以上且110℃以下。
此種溫度調整可預先於使原料溶液流入原料供給用流路之前進行,但為了防止原料改質,更佳為於原料供給用流路的合流點前進行。
於本發明的製造方法中,是兩種以上的原料溶液按照一定的比率合流而連續地持續生成奈米粒子,因此作為代替現有的藉由於燒瓶中對一種原料溶液進行加熱.攪拌,並持續滴加另一種原料溶液而合成奈米粒子的系統者而言較佳。
根據本發明的製造方法,可製造結晶性高的鋰離子電池用活性物質粒子。活性物質粒子結晶性的高低程度可藉由微晶尺寸相對於粒徑的大小進行評價,微晶尺寸(nm)/平均粒徑(nm)的大小越接近1,結晶性越高。
實施例
以下,藉由實施例對本發明進行具體說明,但本發明並不僅限於該些實施例。
A.鋰離子電池用活性物質粒子的平均粒子徑的算出
使用掃描式電子顯微鏡(日立高科公司製造的S-5500),以30個以上且60個以下的粒子進入一個視野的倍率對粒子進行觀察,將視野內全部粒子的粒子徑的平均值作為平均粒子徑。各粒子的粒子徑取粒子的最大徑與最小徑的平均值。
B.鋰離子電池用活性物質粒子的結晶相鑑定
使用作為X射線繞射裝置的布魯克(Bruker)AXS股份有限公司製造的D8 ADVANCE,於步進角0.040°、步進時間70.4秒的條件下,自2θ=5。至70°為止進行測定,藉此進行所述結晶相鑑定。另外,微晶尺寸的算出是使用D8 ADVANCE附屬的里特沃爾德(Rietveld)解析軟體TOPAS進行。
C.充放電特性的評價
藉由行星式攪拌機,將活性物質粒子900重量份、作為導電助劑的乙炔黑(電氣化學工業股份有限公司製造的Denka Black(註冊商標))50重量份、作為黏合劑的聚偏二氟乙烯(阿科瑪(Arkema)股份有限公司的Kynar HSV900)50重量份、作為溶劑的N-甲基吡咯啶酮1200重量份加以混合,而獲得電極膏。使用刮刀(300μm)將該電極膏塗佈於鋁箔(厚度18μm),於80℃下乾燥30分鐘而獲得電極板。將所製作的電極板切成直徑15.9mm作為正極,以切成直徑為16.1mm且厚度為0.2mm的鋰箔作為負極,以切成直徑20mm的Celgard(註冊商標)#2400(賽爾加德(Celgard)公司製造)作為隔板(separator),以含有1M的LiPF6的碳酸伸乙酯:碳酸二乙酯=3:7(體積比)的溶媒作為電解液,製作2032型硬幣型電池,並進行電氣化學評價。測定是以速率0.1 C進行三次充放電測定後,繼續以3 C進行三次,將各速率下第三次放電時的容量作為放電容量。
[實施例1]Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2的製造
將硫酸錳一水合物1.69g、硫酸鈷七水合物2.81g、硫酸鎳六水合物2.63g溶解於純水100g中而製成第1原料溶液。另外,將碳酸鈉3.18g溶解於純水100g中而製成第2原料溶液。於將兩種原料溶液混合時,以混合液的pH值成為8的方式於第2原料溶液中添加0.8g的28%氨水。藉由安裝有流路直徑約為200μm、具有於合流位置流路彎成直角的擾流機制的微反應器的 NanoVater L-ED(吉田機械興業股份有限公司製造),使第1原料溶液及第2原料溶液流入該微反應器內流路,分別於20MPa的加壓下,於該微反應器內流路的合流點按照1:1的比例混合,從而以固體成分的形式獲得(Mn1/3Ni1/3Co1/3)CO3粒子。算出平均粒徑,為132.2nm。將獲得的奈米粒子與氫氧化鋰一水合物1.28g進行混合,於大氣環境、800℃下進行煅燒,藉此獲得平均粒徑252.3nm、微晶尺寸201.2nm、微晶尺寸相對於平均粒徑為0.80的Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2。依照所述C,將理論容量設為160mAh/g,對所獲得的Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2的充放電特性進行評價,結果作為放電容量,於0.1 C下獲得145mAh/g,於3 C下獲得135mAh/g。
[實施例2]磷酸鐵鋰的製造
將氫氧化鋰一水合物2.52g溶解於純水15g中,加入二乙二醇26.0g而製成第1原料溶液。將硫酸鐵(II)七水合物5.56g與抗壞血酸1g溶解於純水12g中,並加入磷酸水溶液(85%)2.3g後,加入二乙二醇17.3g而製成第2原料溶液。
將兩種原料溶液加熱至80℃,於10MPa的加壓下,以第1原料溶液:第2原料溶液為1.3:1的比例將兩種原料溶液流入NanoVater L-ED的流路中,自合流的溶液中獲得作為固體成分的鋰離子電池用活性物質粒子。依照所述A,對獲得的粒子進行結晶相的鑑定,可確認為LiFePO4。另外,算出平均粒徑為61.1nm,微晶尺寸為52.2nm,微晶尺寸(nm)/平均粒徑(nm)為0.85。以4:1的重量比將所得的磷酸鐵鋰與葡萄糖進行混合,於氬氣環 境、700℃下煅燒6小時,藉此對磷酸鐵鋰實施鍍碳。依照所述C,將理論容量設為170mAh/g,對所得的鍍碳磷酸鐵鋰的充放電特性進行評價,結果作為放電容量,於0.1 C下獲得140mAh/g,於3 C下獲得115mAh/g。
[實施例3]磷酸錳鋰的製造
將硫酸鐵(II)七水合物5.56g變更為硫酸錳一水合物3.38g,除此以外,以與實施例2相同的方式獲得鋰離子電池用活性物質粒子。對所得的粒子的結晶相進行鑑定,可確認為LiMnPO4。另外,依照所述B,算出平均粒徑為43.3nm,微晶尺寸為39.8nm,微晶尺寸(nm)/平均粒徑(nm)為0.92。以4:1的重量比將獲得的磷酸錳鋰與葡萄糖進行混合,於氬氣環境、700℃下煅燒6小時,藉此對磷酸錳鋰實施鍍碳。依照所述C,將理論容量設為171mAh/g,對所得的鍍碳磷酸鐵鋰的充放電特性進行評價,結果作為放電容量,於0.1 C下獲得136mAh/g,於3 C下獲得102mAh/g。
[比較例1]Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2的製造
一面藉由磁攪拌器對實施例1的第1原料溶液進行攪拌,一面添加氨,藉此維持pH值=8,並且滴加第2原料溶液,從而獲得作為固體成分的(Mn1/3Ni1/3Co1/3)CO3粒子。算出平均粒徑為384.5nm,粒徑發生粗大化。將獲得的奈米粒子與氫氧化鋰一水合物1.28g進行混合,於大氣環境、800℃下進行煅燒,藉此作為鋰離子電池用活性物質粒子而獲得Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2,其平均粒徑為789.5nm,微晶尺寸為531.9nm,微晶尺寸(nm)/平均粒徑(nm) 為0.67,粒徑發生粗大化,結晶性降低。依照所述C,將理論容量設為160mAh/g,對所得的Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2的充放電特性進行評價,結果放電容量於0.1 C為133mAh/g,於3 C下為124mAh/g。
[比較例2]
藉由加熱板攪拌器,以300rpm對實施例2的第1原料溶液進行攪拌,並且加熱至80℃,滴加同樣加熱至80℃的第2原料溶液而獲得固體成分。對所得的固形物的結晶相進行鑑定,可知除了LiFePO4以外存在Li3PO4。另外,雖然欲算出平均粒徑,但由於混合存在LiFePO4與雜質,因此無法進行測定。
[比較例3]
於實施例3中,藉由加熱板攪拌器,以300rpm對第1原料溶液進行攪拌,並加熱至80℃,滴加加熱至80℃的第2原料溶液而獲得固形物。對所得的固形物的結晶相進行鑑定,可知除了LiMnPO4以外存在Mn5(HPO4)2(PO4)2.4H2O或Li3PO4等雜質相。另外,雖然欲依照所述A算出平均粒徑,但由於混合存在LiMnPO4與雜質,因此無法進行測定。

Claims (6)

  1. 一種鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法,其特徵在於包括如下步驟:於0.3MPa以上且500MPa以下的加壓下使可藉由混合誘發包含中和反應的化學反應而生成鋰離子電池用活性物質粒子或鋰離子電池用活性物質前驅物粒子的多種原料溶液分別流入原料供給用流路,以使合流後的溫度成為60℃以上且120℃以下的方式,使所述多種原料溶液在所述原料供給用流路的合流點混合,藉由所述化學反應而連續生成所述鋰離子電池用活性物質粒子,或連續生成所述鋰離子電池用活性物質前驅物粒子。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法,其中所述原料供給用流路的所述合流點前的流路直徑為0.05mm以上且3mm以下。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法,其中於所述原料供給用流路的所述合流點附近對合流後的所述原料溶液施加擾流。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法,其中所述原料溶液的溶媒為配位性溶媒。
  5. 一種鋰離子電池用正極活性物質粒子的製造方法,其特徵在於:於如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法中,所述多種原料溶液包含含有鋰化合物的第1原料溶液、及含有過渡金屬的第2原料溶液,且藉由所述化學反應而連續生成鋰離子電池活性物質粒子。
  6. 一種鋰離子電池用正極活性物質粒子的製造方法,其特徵在於包括如下步驟:於如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的鋰離子電池用活性物質粒子的製造方法中,所述鋰離子電池用活性物質前驅物粒子為過渡金屬鹽粒子,所述多種原料溶液包含第1原料溶液及第2原料溶液,所述第1原料溶液含有構成所述過渡金屬鹽粒子的過渡金屬,所述第2原料溶液含有與所述過渡金屬形成鹽的相對離子,且藉由所述化學反應而連續生成鋰離子電池活性物質前驅物粒子。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017206095A1 (en) * 2016-06-01 2017-12-07 GM Global Technology Operations LLC Lithium ion battery and capacitor hybridization in material and electrode level
JP7056101B2 (ja) * 2016-12-27 2022-04-19 東レ株式会社 還元グラフェンの製造方法
CN115448380A (zh) * 2022-09-02 2022-12-09 四川大学 一种微反应器辅助共沉淀法制备无钴富锂正极材料的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200736165A (en) * 2006-02-17 2007-10-01 Lg Chemical Ltd Preparation method of lithium-metal composite oxides
KR101210495B1 (ko) * 2010-07-05 2012-12-10 한국과학기술연구원 초임계수 조건에서 소용돌이형 혼합기를 이용한 인산화물계 양극활물질 나노입자 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 양극활물질 나노입자

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2900845B1 (fr) 2006-05-15 2009-03-06 Commissariat Energie Atomique Procede et dispositif de synthese de particules organiques ou inorganiques enrobees
KR20110005809A (ko) 2008-04-25 2011-01-19 스미토모 오사카 세멘토 가부시키가이샤 리튬이온 전지용 정극 활물질의 제조방법, 그 제조방법에 의해 얻어진 리튬이온 전지용 정극 활물질, 리튬이온 전지용 전극, 및 리튬이온 전지
JP2012167314A (ja) 2011-02-14 2012-09-06 Kri Inc 金属ナノ粒子の製造方法
JP2013107815A (ja) * 2011-10-24 2013-06-06 Kri Inc カーボン被覆リン酸マンガンリチウム粒子
CN103094549B (zh) 2012-10-12 2016-05-11 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池负极材料钛酸锂的超临界水热合成方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200736165A (en) * 2006-02-17 2007-10-01 Lg Chemical Ltd Preparation method of lithium-metal composite oxides
KR101210495B1 (ko) * 2010-07-05 2012-12-10 한국과학기술연구원 초임계수 조건에서 소용돌이형 혼합기를 이용한 인산화물계 양극활물질 나노입자 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 양극활물질 나노입자

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Aimable, D. Aymes, F. Bernard, F. Le Cras, "Characteristics of LiFePO4 obtained through a one step continuous hydrothermal synthesis process working in supercritical water", Solid State Ionics Volume 180, Issues 11–13, 22 June 2009, Pages 861-866, Available online 9 March 2009 *
A. Aimable, D. Aymes, F. Bernard, F. Le Cras, "Characteristics of LiFePO4 obtained through a one step continuous hydrothermal synthesis process working in supercritical water", Solid State Ionics Volume 180, Issues 11–13, 22 June 2009, Pages 861-866, Available online 9 March 2009。

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