WO2013137381A1 - チタン酸リチウムおよびその製造方法、その用途 - Google Patents

チタン酸リチウムおよびその製造方法、その用途 Download PDF

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桂一 渡邉
修司 西田
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Definitions

  • the present invention efficiently and inexpensively manufactures substantially single-phase lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) that satisfies the required characteristics as an active material for a negative electrode or a positive electrode of a lithium ion secondary battery.
  • the present invention relates to a method, lithium titanate obtained by the production method thereof, and use thereof.
  • Lithium ion secondary batteries are characterized by high energy density compared to lead batteries and nickel metal hydride batteries, and therefore, research and development have been actively conducted mainly on in-vehicle batteries. In particular, in this application, in addition to high energy density, excellent high output charge / discharge performance, long life, and high safety are required.
  • Lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12
  • Lithium titanate has attracted attention as an active material for a negative electrode or a positive electrode that satisfies these required characteristics.
  • lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) as a negative electrode or positive electrode active material has a capacity close to the theoretical value of 175 mAh / g during low-rate charge / discharge.
  • lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) is required to be a single phase.
  • the capacity decrease during high-rate charge / discharge is small, that is, the rate performance is good.
  • lithium titanate For this purpose, it is required to increase the specific surface area of lithium titanate and increase the area involved in the charge / discharge reaction.
  • the specific surface area when the specific surface area is large, the viscosity when lithium titanate is dispersed together with a conductive additive, a binder, and a solvent to form an electrode mixture slurry becomes high and handling becomes difficult. Furthermore, since side reactions that cause cycle deterioration and safety reduction are also likely to occur, it is preferable that the specific surface area be small. Thus, in order to satisfy all the required characteristics, it is necessary to find a production method capable of obtaining lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) having an appropriate specific surface area in a single phase.
  • Li 4 Ti 5 O 12 lithium titanate
  • Patent Document 1 JP-A-07-320784 (Patent Document 1) and JP-A-2001-192208 (Patent Document 2)
  • Patent Document 2 a method is known in which anatase-type titanium dioxide and lithium hydroxide are mixed and baked at 800 ° C. or higher in an oxygen atmosphere. Since the lithium titanate obtained by this production method has a relatively small specific surface area of 10 m 2 / g or less, the viscosity at the time of preparing the electrode mixture slurry is low and easy to handle.
  • the above-described lithium ion secondary battery has a large capacity drop at the time of high output charge / discharge, that is, the rate performance is low, so that it is difficult to apply to in-vehicle use.
  • Patent Document 3 discloses a method of producing lithium titanate having a specific surface area of 10 to 300 m 2 / g by hydrothermal treatment of orthotitanic acid and lithium hydroxide. Since the lithium titanate obtained by this production method has a large area involved in the charge / discharge reaction, the capacity drop during high-power charge / discharge is small, that is, the rate performance is good. On the other hand, since the lithium titanate obtained by the above-described production method has a high oil absorption, the viscosity at the time of preparing the electrode mixture slurry is high and difficult to handle. Furthermore, since the lithium titanate obtained by the above-described production method is liable to cause side reactions that cause cycle deterioration and safety reduction, it is difficult to ensure safety.
  • lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12
  • rate performance and cycle performance, safety, and handleability of lithium titanate are in a trade-off relationship, and satisfying all required characteristics is a very difficult task. is there.
  • lithium titanate in addition to satisfying the required characteristics as a battery active material, profitability is an extremely important factor.
  • a solid phase method in which a raw material powder made of a lithium compound and a raw material powder made of a titanium compound are mixed and fired is used, and further, a raw material powder made of a lithium compound As the body, it is preferable to use lithium carbonate rather than lithium hydroxide because cost can be reduced.
  • lithium carbonate when considering the formation mechanism of lithium titanate in the solid phase method. That is, when lithium hydroxide is used, lithium hydroxide (melting point: 462 ° C.) is melted during firing, and the raw material powder made of a titanium compound reacts with the lithium component in the molten salt, so that lithium titanate Produces.
  • lithium carbonate melting point: 723 ° C.
  • lithium titanate since the melting point is high, lithium titanate is not generated in low-temperature firing, and Li component volatilizes in high-temperature firing. Difficult to get. Therefore, a method for producing lithium titanate using lithium carbonate in the following solid phase method has been proposed.
  • Patent Document 4 rutile type titanium oxide and lithium carbonate are mixed, then pressure-molded, and pre-fired at 700 ° C. for 4.5 hours in an oxidizing atmosphere.
  • Patent Document 4 rutile type titanium oxide and lithium carbonate are mixed, then pressure-molded, and pre-fired at 700 ° C. for 4.5 hours in an oxidizing atmosphere.
  • this manufacturing method requires two firing steps, resulting in high costs.
  • the lithium titanate obtained because it requires pressure molding becomes a strong sintered body, and grains tend to remain in the product.
  • it is difficult to control the volatilization amount of the Li component and it is difficult to obtain Li 4 Ti 5 O 12 in a single phase.
  • the process can be completed relatively easily.
  • the melting point is high, at a temperature lower than the melting point, Lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) is not generated, and on the other hand, the Li component is volatilized by baking at a temperature higher than 800 ° C., and lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) is efficiently produced in a single phase. There was a problem that it was difficult to get.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, using single-phase lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) excellent in rate performance and easy to handle, using lithium carbonate as a lithium source, It aims at providing the method of manufacturing industrially advantageous.
  • the present inventors have used a titanate compound as a titanium source, and even when using lithium carbonate as a lithium source, a firing temperature zone in which the Li component does not volatilize,
  • lithium titanate having excellent battery characteristics at a relatively low temperature of 723 to 800 ° C. and without performing two-step firing or pressure molding can be found in a substantially single phase and industrially advantageously.
  • the obtained lithium titanate has a specific surface area of 10 m 2 / g or less, the viscosity at the time of preparing the electrode mixture slurry is low, it is easy to handle, and the wettability with respect to the non-aqueous electrolyte is good. For this reason, the insertion / extraction reaction of Li ions in charge / discharge proceeded smoothly, and as a result, it was found that the rate performance was excellent, and the present invention was completed.
  • the lithium titanate of the present invention obtained by using lithium carbonate as a starting material has good wettability with respect to the non-aqueous electrolyte, specifically, an index showing wettability, as described later.
  • the defined permeation rate coefficient is characterized by being larger than the permeation rate coefficient of lithium titanate obtained by using lithium hydroxide as a starting material for the same non-aqueous electrolyte.
  • the penetration rate coefficient of the lithium titanate of the present invention is 0.03 g 2 / s or more or 0.04 g 2 / s or more, and the specific surface area is 10 m 2 / g or less or 4.0 m 2. / G or less.
  • the penetration rate coefficient of lithium titanate obtained by using lithium carbonate as the lithium source is at least compared to the penetration rate coefficient of lithium hydroxide obtained by using lithium hydroxide as a starting material. It is characterized by being larger than 10%.
  • the method for producing lithium titanate according to the present invention is characterized in that, in the method for producing by a solid phase method, lithium carbonate is used as a lithium source and metatitanic acid or orthotitanic acid is used as a titanium source. More specifically, the present invention relates to a method for producing lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) by mixing and firing a raw material powder made of a lithium compound and a raw material powder made of a titanate compound.
  • the lithium compound is lithium carbonate
  • the titanic acid compound is metatitanic acid or orthotitanic acid.
  • the firing temperature is preferably 723 ° C. to 950 ° C.
  • the lithium titanate of the present invention has good wettability with respect to the non-aqueous electrolyte, the Li ion insertion / extraction reaction during charge / discharge proceeds smoothly, and as a result, the rate performance is excellent. Furthermore, since the lithium titanate of the present invention has a specific surface area of 10 m 2 / g or less or 4.0 m 2 / g or less, the viscosity at the time of preparing the electrode mixture slurry is low, and the handleability is excellent.
  • lithium carbonate is used as a lithium source instead of lithium hydroxide, so that the manufacturing process can be completed relatively easily, and lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) can be manufactured at low cost.
  • the titanic acid compound combined with lithium carbonate is metatitanic acid or orthotitanic acid, and metatitanic acid is preferable.
  • lithium carbonate when metatitanic acid or orthotitanic acid is used as the titanate compound combined with lithium carbonate, even if lithium carbonate is used as a starting material, it is preferably 723 ° C. to 850 ° C., more preferably 723 ° C. to 800 ° C., most preferably Lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) can be obtained at a relatively low firing temperature of 750 ° C. Further, if the firing temperature of the above, it is possible to obtain lithium titanate in 20 hours or less baking time (Li 4 Ti 5 O 12) .
  • lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12
  • lithium titanate other than Li 4 Ti 5 O 12 is by-produced, or lithium element or lithium compound Control of the Li / Ti atomic ratio does not become difficult due to the occurrence of volatilization loss, and the problem that the raw material titanium oxide and coarse particles remain in the product is solved.
  • lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) obtained by the production method of the present invention can satisfy high required characteristics such as high charge / discharge characteristics as an active material of a lithium ion secondary battery. It is suitable for use as a negative electrode active material or / and a positive electrode active material of a secondary battery.
  • lithium titanate excellent in rate performance and easy to handle is obtained, and lithium titanate capable of satisfying the high required characteristics of a lithium ion secondary battery typified by an in-vehicle battery, and a method for producing the same Can be provided. Furthermore, according to the production method of the present invention, by using lithium carbonate as a lithium source, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) is substantially single-phase and efficiently and industrially advantageously produced. be able to.
  • Example 1 By metering metatitanic acid and lithium carbonate so that the molar ratio of Li to Ti is 4: 5, mixing them using a Henschel mixer, and then firing in air at 723 ° C. for 20 hours, titanium Lithium acid was obtained.
  • Example 2 Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 750 ° C.
  • Example 3 Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 850 ° C.
  • Example 4 Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 950 ° C.
  • Example 5 Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that orthotitanic acid was used instead of metatitanic acid.
  • Example 6 Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that orthotitanic acid was used instead of metatitanic acid and the firing temperature was 950 ° C.
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that lithium hydroxide was used instead of lithium carbonate.
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that anatase-type titanium dioxide (AMT-400, manufactured by Teika Co., Ltd.) was used instead of metatitanic acid.
  • AMT-400 anatase-type titanium dioxide
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that anatase-type titanium dioxide (AMT-400, manufactured by Teika Co., Ltd.) was used instead of metatitanic acid, and the firing temperature was 850 ° C.
  • AMT-400 anatase-type titanium dioxide
  • metatitanic acid metatitanic acid
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that anatase-type titanium dioxide (AMT-400, manufactured by Teika Co., Ltd.) was used instead of metatitanic acid, and the firing temperature was 950 ° C.
  • AMT-400 anatase-type titanium dioxide
  • metatitanic acid metatitanic acid
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that anatase-type titanium dioxide (JA-1, manufactured by Teika Co., Ltd.) was used instead of metatitanic acid.
  • anatase-type titanium dioxide JA-1, manufactured by Teika Co., Ltd.
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that anatase-type titanium dioxide (JA-1, manufactured by Teika Co., Ltd.) was used instead of metatitanic acid, and the firing temperature was 950 ° C.
  • anatase-type titanium dioxide JA-1, manufactured by Teika Co., Ltd.
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that rutile titanium dioxide (JR, manufactured by Teika Co., Ltd.) was used instead of metatitanic acid.
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 2 except that rutile titanium dioxide (JR, manufactured by Teika Co., Ltd.) was used instead of metatitanic acid and the firing temperature was 950 ° C.
  • rutile titanium dioxide JR, manufactured by Teika Co., Ltd.
  • Lithium titanate was obtained in the same manner as in Example 5 except that lithium hydroxide was used instead of lithium carbonate.
  • the results are shown in Table 1.
  • lithium carbonate is used as the lithium compound, and metatitanium as the titanate compound.
  • Substantially single-phase lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) was obtained (see Examples 1 to 6).
  • the lithium titanate obtained by the production method of the present invention shows a quality equivalent to or higher than that obtained when lithium hydroxide is used as the lithium source (see Comparative Examples 1 and 9). From this, it was also found that the production method of the present invention is useful for obtaining lithium titanate having very few impurities. Therefore, according to the production method of the present invention, substantially single-phase lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) can be produced efficiently and inexpensively.
  • lithium carbonate is used as the lithium compound, and metatitanium as the titanate compound. It was found that when acid or orthotitanic acid was used, the molar ratio of Li and Ti was controlled to the target value of 0.80.
  • the specific surface area of the lithium titanate is 4.0 m 2 / g or less, and generally has a specific surface area of 10 m 2 / g or less, which is necessary for facilitating handling during electrode mixture slurry preparation. It was found that this was sufficiently satisfied (see Examples 1 to 6).
  • the molar ratio of Li and Ti is controlled to the target value of 0.80, and the specific surface area is also 10 m 2 / g. It was found that the following range was adjusted.
  • titanium oxide such as anatase type titanium dioxide or rutile type titanium dioxide is used as the titanic acid compound combined with lithium carbonate instead of metatitanic acid or orthotitanic acid
  • the molar ratio of Li to Ti is 0.75. It was found that there was a variation between ⁇ 0.80 and the control was not performed (see Comparative Examples 2 to 8).
  • the obtained lithium titanate was mixed at a weight ratio of 90: 5: 5 together with acetylene black as a conductive agent and PVDF as a binder, and NMP was added as a dispersion medium to obtain a solid content.
  • a 30 wt% electrode mixture slurry was prepared. This electrode mixture slurry was applied onto an aluminum foil as a current collector using an applicator (# 16) and then dried to produce a lithium titanate-containing electrode.
  • the obtained lithium titanate-containing electrode was roll-pressed with a clearance of 20 ⁇ m and punched using electrode punching to form a 2032 type coin cell together with lithium metal as a counter electrode and LiPF 6 / EC / DEC as a non-aqueous electrolyte. .
  • the obtained coin cell is charged and discharged under the conditions of a voltage range of 1.0 to 2.5 V, a charge rate of 0.1 C, and a discharge rate of 0.1 C, and the discharge capacity at that time is measured. Evaluated.
  • the rate characteristics were evaluated by measuring the discharge capacity during charge and discharge under the conditions of voltage range 1.0 to 2.5 V, charge rate 0.1 C, discharge rates 1 C, 5 C, and 10 C. The results are shown in Tables 3 and 4.
  • Table 3 shows the discharge capacity at each discharge rate
  • Table 4 shows the relative capacity at each discharge rate with respect to the discharge capacity (initial characteristics) at a discharge rate of 0.1 C as the capacity maintenance rate.
  • the discharge capacity is shown as a percentage.
  • the lithium titanates of Examples 1 to 6 using lithium carbonate as the lithium source and using metatitanic acid or orthotitanic acid as the titanate compound combined therewith use lithium carbonate as the lithium source.
  • each of the lithium titanates of Comparative Examples 2 to 8 using anatase-type titanium oxide or rutile-type titanium oxide as a titanium source combined with this shows higher charge / discharge characteristics as an electrode active material. . From this, it can be considered that the lithium titanates of Examples 1 to 6 have fewer impurities than the lithium titanates of Comparative Examples 2 to 8, and have excellent crystallinity.
  • Example 2 Compared Example 2 with Comparative Example 1 under the same conditions as Example 2 except that lithium hydroxide was used as the lithium source, Example 2 using lithium carbonate used lithium hydroxide. It turned out that the high charge / discharge characteristic as an electrode active material is shown from the comparative example 1. This result is the same when Example 5 is compared with Comparative Example 9 under the same conditions as Example 5 except that lithium hydroxide was used as the lithium source.
  • the lithium titanate of Examples 2 and 5 and the lithium titanate of Comparative Examples 1 and 9 are both substantially composed of single phase Li 4 Ti 5 O 12 (see Table 1). The difference in discharge characteristics is presumed to be derived from the difference in surface properties such as wettability and specific surface area between the two. This point will be described later separately.
  • the firing temperature is lower when the titanate compound is metatitanic acid (Examples 1 to 4) or orthotitanic acid (Examples 5 and 6).
  • the titanate compound is metatitanic acid (Examples 1 to 4) or orthotitanic acid (Examples 5 and 6).
  • a penetration rate measuring device Puleto Analyzer PNT-N, manufactured by Hosokawa Micron Corporation
  • a sample was filled in a predetermined measurement cell and tapped to unify the porosity to 67%. This was immersed in a non-aqueous electrolyte solution (1 mol / L LiPF 6 , EC: DEC (1: 2) V / V%, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) of a lithium ion secondary battery, and an osmotic electrolyte solution into the sample layer The weight change of was measured.
  • the permeation rate coefficient which is an index indicating wettability, was obtained from the initial gradient of the graphs shown in FIGS.
  • the permeation rate coefficient obtained under these conditions is defined as “permeation rate coefficient with respect to the non-aqueous electrolyte”.
  • the lithium titanate of Example 2 obtained by using lithium carbonate as the lithium source and using metatitanic acid as the titanate compound combined therewith has a permeation rate coefficient of 0.04 g 2 / s or more.
  • the lithium titanate of Example 5 obtained by using lithium carbonate as the lithium source and using orthotitanate as the titanate compound combined therewith has a permeation rate coefficient of 0.03 g 2 / s or more. Therefore, it was found that the lithium titanates of Examples 2 and 5 both showed high values, that is, good wettability even when compared with Comparative Examples 1 and 9 using lithium hydroxide as a lithium source. .
  • the penetration rate coefficients of the lithium titanates of Examples 2 and 5 obtained by using lithium carbonate as the lithium source are 0.044 g 2 / s and 0.038 g 2 / s.
  • the penetration rate coefficients of the lithium titanates of Comparative Examples 1 and 9 obtained by using lithium hydroxide as the lithium source are 0.027 g 2 / s and 0.029 g 2 / s. Therefore, the penetration rate coefficient of lithium titanate obtained by using lithium carbonate as a starting material is at least 10% compared to the penetration rate coefficient of lithium titanate obtained by using lithium hydroxide as a starting material. It turned out that it was bigger.
  • the firing temperature when lithium carbonate is used as the lithium source and metatitanic acid or orthotitanic acid is used as the titanate compound combined therewith is 723 to 950 ° C., preferably 723 to 850 ° C., more preferably It was found to be 723-800 ° C, most preferably 750 ° C.

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Abstract

　レート性能に優れ、且つ取り扱いやすいチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を単相で、且つ効率よく工業的に有利に製造する方法を提供することを目的とする。リチウム化合物からなる原料粉末とチタン酸化合物からなる原料粉末とを混合し、焼成することにより、実質的に単相のチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を製造する方法において、リチウム化合物に炭酸リチウムを用い、チタン酸化合物にメタチタン酸またはオルトチタン酸を用いることを特徴とするチタン酸リチウムの製造方法であって、得られたチタン酸リチウムの非水電解液に対する浸透速度係数は、リチウム化合物に水酸化リチウムを用いた場合のチタン酸リチウムの同じ非水電解液に対する浸透速度係数よりも大きく、比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であることを特徴とするチタン酸リチウムを提供する。

Description

チタン酸リチウムおよびその製造方法、その用途
　本発明は、リチウムイオン二次電池の負極又は正極の活物質として、その要求特性を満たした実質的に単相のチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を、効率良く且つ安価に製造する方法、およびその製造方法により得られたチタン酸リチウム若しくはその用途などに関する。
　リチウムイオン二次電池は、鉛電池やニッケル水素電池などと比較して、高エネルギー密度という特徴を有することから、車載用バッテリーを中心に、盛んに研究開発が行われている。とりわけ、同用途においては、高エネルギー密度であることに加えて、優れた高出力充放電性能、長寿命、高い安全性が要求される。これらの要求特性を満たす負極又は正極の活物質として、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）が注目されている。
　このように、負極又は正極の活物質としてのチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）は、低率充放電時における容量が、理論値である１７５ｍＡｈ／ｇに近いことが必須である。そのためには、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）が単相であることが求められる。加えて、車載用など高出力充放電を行う用途では、高率充放電時における容量低下が小さいこと、すなわちレート性能が良好であることもまた必要である。
　そのためには、チタン酸リチウムの比表面積を大きくし、充放電反応に関与する面積を大きくすることが求められる。一方で、比表面積が大きい場合、チタン酸リチウムを導電助剤、結着剤、溶剤とともに分散し、電極合剤スラリー化した際の粘度が高くなり、取り扱いが困難となる。さらに、サイクル劣化及び安全性低下の原因となる副反応もまた起こりやすくなるため、比表面積は小さい方が好ましい。このように、全ての要求特性を満たすためには、適当な比表面積を有するチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を単相で得られる製造方法を見出さなければならない。
　従来、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）の最も一般的な製造方法として、例えば特開平０７－３２０７８４号公報（特許文献１）および特開２００１－１９２２０８号公報（特許文献２）などに記載されるように、アナタース型二酸化チタンと水酸化リチウムを混合し、酸素雰囲気中、８００℃以上で焼成する方法が知られている。この製造方法で得られるチタン酸リチウムは、比表面積が１０ｍ２／ｇ以下と比較的小さいため、電極合剤スラリー作製時の粘度が低く取り扱いやすい。また、上述の製造方法で得られるチタン酸リチウムを用いてリチウムイオン二次電池を作成した場合、サイクル劣化が起こりにくく、安全性も高い。しかしながら、上述のリチウムイオン二次電池は、高出力充放電時の容量低下が大きく、すなわちレート性能が低いために車載用途などへ適用し難い。
　そこで、比表面積が比較的大きいチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）が提案されている。例えば特許第３８９４６１４号（特許文献３）には、オルトチタン酸と水酸化リチウムを水熱処理することにより、比表面積が１０～３００ｍ２／ｇのチタン酸リチウムを製造する方法が開示されている。この製造方法で得られるチタン酸リチウムは、充放電反応に関与する面積が大きいため、高出力充放電時の容量低下が小さく、すなわちレート性能が良好である。一方で、上述の製造方法で得られるチタン酸リチウムは、吸油量が高いために電極合剤スラリー作製時の粘度が高く取り扱いにくい。さらに、上述の製造方法で得られるチタン酸リチウムは、サイクル劣化及び安全性低下の原因となる副反応もまた起こりやすいために、安全性の確保が困難である。
　このように、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）におけるレート性能とサイクル性能、安全性、取り扱い性はトレードオフの関係にあり、全ての要求特性を満たすことは、非常に困難な課題である。
　さらに、工業的にチタン酸リチウムを製造する際、電池活物質としての要求特性を満たすことに加えて、採算性が極めて重要な要素である。一般に、安価なチタン酸リチウムを製造するためには、リチウム化合物からなる原料粉体とチタン化合物からなる原料粉体を混合し、焼成するという固相法を用い、さらに、リチウム化合物からなる原料粉体としては、水酸化リチウムより炭酸リチウムを用いる方がコストを抑えられるため好ましい。
　しかしながら、固相法におけるチタン酸リチウムの生成機構を考えたとき、炭酸リチウムを用いることは難しい。すなわち、水酸化リチウムを用いた場合は、焼成中に水酸化リチウム（融点４６２℃）が溶融し、その溶融塩中でチタン化合物からなる原料粉体とリチウム成分が反応することにより、チタン酸リチウムが生成する。一方、炭酸リチウム（融点７２３℃）を用いた場合は、その融点が高いため、低温焼成ではチタン酸リチウムが生成せず、高温焼成ではＬｉ成分が揮発するために、チタン酸リチウムの単相を得ることが難しい。そこで、以下のような固相法において炭酸リチウムを用いたチタン酸リチウムの製造方法が提案されている。
　例えば、特開２０００－３０２５４７号公報（特許文献４）には、ルチル型酸化チタンと炭酸リチウムを混合したのち、加圧成形し、酸化性雰囲気中、７００℃で４．５時間仮焼成することにより、ＴｉＯ２とＬｉ２ＴｉＯ３からなる混合物を得て、次いで、８００℃で４．５時間本焼成することによりＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２を製造する方法が提案されている。しかしながら、この製造方法では、焼成工程を２回必要とするためにコスト高となる。また、加圧成型を必要とするために得られたチタン酸リチウムは強固な焼結体となり、製品中に租粒が残り易い。さらに、Ｌｉ成分の揮発量を制御することが難しく、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２を単相で得ることは難しい。
　このように、水酸化リチウムに替えて炭酸リチウム（融点７２３℃）を用いた固相法では、その工程を比較的簡単に済ませることができるが、その融点が高いために、融点より低い温度ではチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）が生成せず、一方、８００℃より高温の焼成ではＬｉ成分が揮発してしまい、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を単相で効率良く得るのが難しいという問題があった。
特開平０７－３２０７８４号公報 特開２００１－１９２２０８号公報 特許第３８９４６１４号 特開２０００－３０２５４７号公報
　そこで、本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、レート性能に優れ、且つ取り扱いやすい単相のチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を、リチウム源として炭酸リチウムを用いて、工業的に有利に製造する方法を提供することを目的としている。
　本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、チタン源としてチタン酸化合物を用いたとき、リチウム源として炭酸リチウムを用いても、Ｌｉ成分の揮発のない焼成温度帯、すなわち７２３～８００℃という比較的低温で、且つ２段焼成や加圧成型を行うことなく電池特性に優れたチタン酸リチウムを実質的に単相で、且つ工業的に有利に製造できる条件を見出し、さらに得られたチタン酸リチウムは、比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であるため、電極合剤スラリー作製時の粘度が低く、取り扱いやすいこと、また、非水電解液に対する濡れ性が良好であるため、充放電におけるＬｉイオンの挿入脱離反応が円滑に進行し、その結果、レート性能に優れることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、出発原料に炭酸リチウムを用いることにより得られた本発明のチタン酸リチウムは、非水電解液に対する濡れ性が良好であり、具体的には濡れ性を示す指標である、後述するように定義した浸透速度係数が、出発原料に水酸化リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの同じ非水電解液に対する浸透速度係数よりも大きいことを特徴とする。
　より具体的には、本発明のチタン酸リチウムの前記浸透速度係数が０．０３ｇ２／ｓ以上若しくは０．０４ｇ２／ｓ以上であり、且つ比表面積が１０ｍ２／ｇ以下若しくは４．０ｍ２／ｇ以下であることを特徴とする。換言すれば、リチウム源として炭酸リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの浸透速度係数は、出発原料に水酸化リチウムを用いることにより得られた水酸化リチウムの浸透速度係数に比べて、少なくとも１０％以上大きいことを特徴としている。
　また、本発明のチタン酸リチウムの製造方法は、固相法により製造する方法において、リチウム源として炭酸リチウムを用い、チタン源としてメタチタン酸又はオルトチタン酸を用いることを特徴としている。より具体的には、本発明は、リチウム化合物からなる原料粉末とチタン酸化合物からなる原料粉末とを混合し、焼成することにより、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を製造する方法において、前記リチウム化合物が炭酸リチウムであり、前記チタン酸化合物が、メタチタン酸又はオルトチタン酸であることを特徴とする。さらに、その焼成温度が７２３℃～９５０℃であることが好ましい。
　このように、本発明のチタン酸リチウムは、非水電解液に対する濡れ性が良好であるので、充放電におけるＬｉイオンの挿入脱離反応が円滑に進み、その結果、レート性能に優れる。さらに、本発明のチタン酸リチウムは、比表面積も１０ｍ２／ｇ以下若しくは４．０ｍ２／ｇ以下であるので、電極合剤スラリー作製時の粘度が低く、取り扱い性に優れている。また、本発明では、固相法において、リチウム源として、水酸化リチウムではなく、炭酸リチウムを用いているので、製造工程を比較的簡単に済ませることができ、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を安価に製造することができる。
　また、本発明において、炭酸リチウムと組み合わされるチタン酸化合物は、メタチタン酸またはオルトチタン酸であり、メタチタン酸が好ましい。
　炭酸リチウムと組み合わされるチタン酸化合物として、メタチタン酸またはオルトチタン酸を用いると、出発原料として炭酸リチウムを用いても、好ましくは７２３℃～８５０℃、より好ましくは７２３℃～８００℃、最も好ましくは７５０℃という比較的低い焼成温度でチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を得ることができる。また、前述の焼成温度であれば、２０時間以下の焼成時間でチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を得ることができる。
　このため、本発明の製造方法によれば、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を得る際、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２以外のチタン酸リチウムが副生したり、リチウム元素あるいはリチウム化合物の揮発損失の発生などによりＬｉ／Ｔｉ原子比の制御が困難となることがなく、また、製品中に原料酸化チタンや粗粒が残存するという問題も解消される。
　そして、この結果、本発明の製造方法によれば、粉末Ｘ線回折測定において、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の２θ=１８°におけるピーク強度に対するアナタース型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、炭酸リチウム、Ｌｉ２ＴｉＯ３それぞれの相対強度が５％以下という、結晶性に優れ、実質的に単相のチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を効率的に得ることができる。
　また、本発明の製造方法により得られたチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）は、リチウムイオン二次電池の活物質として高い充放電特性など高い要求特性を満たすことができるので、リチウムイオン二次電池の負極活物質または／および正極活物質として使用するのに適している。
　本発明によれば、レート性能に優れ、且つ取り扱いやすいチタン酸リチウムが得られ、車載用バッテリーを代表とするリチウムイオン二次電池の高い要求特性を満たすことができるチタン酸リチウム及びその製造方法を提供することができる。さらに、本発明の製造方法によれば、リチウム源として炭酸リチウムを用いることにより、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を実質的に単相で、且つ効率よく工業的に有利に製造することができる。
実施例２と比較例１の浸透電解液重量の２乗の値の変化の初期勾配より求めた浸透速度係数を示す図である。 実施例５と比較例９の浸透電解液重量の２乗の値の変化の初期勾配より求めた浸透速度係数を示す図である。
　以下、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示される実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で各種の変更が可能である。
［実施例１］
　ＬｉとＴｉのモル比が、４：５となるように、メタチタン酸と炭酸リチウムを計量し、ヘンシェルミキサーを用いてこれらを混合したのち、大気中、７２３℃で２０時間焼成することによって、チタン酸リチウムを得た。
［実施例２］
　焼成温度を７５０℃とした以外は、実施例１と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［実施例３］
　焼成温度を８５０℃とした以外は、実施例１と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［実施例４］
　焼成温度を９５０℃とした以外は、実施例１と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［実施例５］
　メタチタン酸に替えてオルトチタン酸を用いた以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［実施例６］
　メタチタン酸に替えてオルトチタン酸を用い、焼成温度を９５０℃とした以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例１］
　炭酸リチウムに替えて水酸化リチウムを用いた以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例２］
　メタチタン酸に替えてアナタース型二酸化チタン（ＡＭＴ－４００、テイカ株式会社製）を用いた以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例３］
　メタチタン酸に替えてアナタース型二酸化チタン（ＡＭＴ－４００、テイカ株式会社製）を用い、焼成温度を８５０℃とした以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例４］
　メタチタン酸に替えてアナタース型二酸化チタン（ＡＭＴ－４００、テイカ株式会社製）を用い、焼成温度を９５０℃とした以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例５］
　メタチタン酸に替えてアナタース型二酸化チタン（ＪＡ－１、テイカ株式会社製）を用いたこと以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例６］
　メタチタン酸に替えてアナタース型二酸化チタン（ＪＡ－１、テイカ株式会社製）を用い、焼成温度を９５０℃とした以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例７］
　メタチタン酸に替えてルチル型二酸化チタン（ＪＲ、テイカ株式会社製）を用いたこと以外は、実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例８］
　メタチタン酸に替えてルチル型二酸化チタン（ＪＲ、テイカ株式会社製）を用い、焼成温度を９５０℃とした以外は実施例２と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
［比較例９］
　炭酸リチウムに替えて水酸化リチウムを用いた以外は実施例５と同様にしてチタン酸リチウムを得た。
　得られたチタン酸リチウムについて、粉末Ｘ線回折測定を行い、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（２θ=１８°）と不純物であるアナタース型ＴｉＯ２（２θ=２４°）、ルチル型ＴｉＯ２（２θ=２７°）、Ｌｉ２ＣＯ３（２θ=３１．５°）、Ｌｉ２ＴｉＯ３（２θ=４３．４°）の有無を確認し、さらに、これらの相対強度を算出した。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、リチウム化合物からなる原料粉末とチタン酸化合物からなる原料粉末とを混合し、焼成することにより、チタン酸リチウムを製造する方法において、リチウム化合物に炭酸リチウムを用い、チタン酸化合物としてメタチタン酸またはオルトチタン酸を用いた場合は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の２θ=１８°におけるピーク強度に対するアナタース型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、炭酸リチウム、Ｌｉ２ＴｉＯ３それぞれの相対強度が５％以下という、実質的に単相のチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を得ることができた（実施例１～６参照）。
　また、本発明の製造方法により得られたチタン酸リチウムは、リチウム源として水酸化リチウムを用いた場合に得られたチタン酸リチウム（比較例１及び９参照）と同等かそれ以上の品質を示しており、このことからも、本発明の製造方法は、極めて不純物等の少ないチタン酸リチウムを得るために有用であることが分かった。そのため、本発明の製造方法によれば、実質的に単相のチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を効率よく安価に製造することができる。
　一方、炭酸リチウムと組み合わされるチタン酸化合物として、メタチタン酸またはオルトチタン酸ではなく、アナタース型二酸化チタンまたはルチル型二酸化チタンなどの二酸化チタンを用いた比較例２～８の場合は、粉末Ｘ線回折測定において、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の２θ=１８°におけるピーク強度に対するアナタース型酸化チタンの相対強度は最大７％（比較例２）、ルチル型酸化チタンの相対強度は最大で９２％（比較例７）、炭酸リチウムの相対強度は最大で４５％（比較例７）、Ｌｉ２ＴｉＯ３の相対強度は最大で３６％（比較例７）であり、製品中に原料酸化チタンが残存していたことから、単相のチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を得ることができなかった。
　次に、窒素ガス吸着法により比表面積、ＩＰＣ発光分光分析によりＬｉとＴｉのモル比を測定した。その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２より、リチウム化合物からなる原料粉末とチタン酸化合物からなる原料粉末とを混合し、焼成することにより、チタン酸リチウムを製造する方法において、リチウム化合物に炭酸リチウムを用い、チタン酸化合物としてメタチタン酸またはオルトチタン酸を用いた場合は、ＬｉとＴｉのモル比が目標値の０．８０に制御されていることが分かった。また、上記のチタン酸リチウムの比表面積も４．０ｍ２／ｇ以下であり、一般に電極合剤スラリー作製時の取り扱いを容易にするために必要とされる比表面積１０ｍ２／ｇ以下の範囲を十分に満たしていることが分かった（実施例１～６参照）。
　また、リチウム源として水酸化リチウムを用いた比較例１及び９のチタン酸リチウムの場合も、ＬｉとＴｉのモル比が目標値の０．８０に制御されており、比表面積も１０ｍ２／ｇ以下の範囲に調整されることが分かった。
　一方、炭酸リチウムと組み合わされるチタン酸化合物として、メタチタン酸またはオルトチタン酸ではなく、アナタース型二酸化チタンまたはルチル型二酸化チタンなどの酸化チタンを用いた場合は、ＬｉとＴｉのモル比が０．７５～０．８０の間でバラツキがあり、制御されていないことが分かった（比較例２～８参照）。
　次に、得られたチタン酸リチウムを、導電剤としてのアセチレンブラック、結着剤としてのＰＶＤＦとともに、重量比９０：５：５の割合で混合し、さらに分散媒としてＮＭＰを添加し、固形分３０ｗｔ％の電極合剤スラリーを調製した。この電極合剤スラリーを、集電体であるアルミ箔の上にアプリケーター（♯１６）を用いて塗布したのち、乾燥することによりチタン酸リチウム含有電極を作製した。得られたチタン酸リチウム含有電極を、クリアランス２０μｍでロールプレスしたのち、電極打ち抜きを用いて打ち抜き、対極であるリチウム金属、非水電解液であるＬｉＰＦ６／ＥＣ／ＤＥＣとともに２０３２型のコインセルとした。
　得られたコインセルに対して、電圧範囲１．０～２．５Ｖ、充電レート０．１Ｃ、放電レート０．１Ｃの条件で充放電を行い、そのときの放電容量を測定することで、初期特性を評価した。次いで、電圧範囲１．０～２．５Ｖ、充電レート０．１Ｃ、放電レート１Ｃ、５Ｃ、１０Ｃの各条件での充放電時の放電容量を測定することで、レート特性を評価した。その結果を表３、４に示す。なお、表３には各放電レートにおける放電容量を示しており、また、表４には、容量維持率として、放電レート０．１Ｃでの放電容量（初期特性）に対する、各放電レートでの相対放電容量を百分率で示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表３、４より、リチウム源として炭酸リチウムを用い、これと組み合わせるチタン酸化合物としてメタチタン酸またはオルトチタン酸を用いた実施例１～６のチタン酸リチウムは、リチウム源として炭酸リチウムを用いているが、これと組み合わせるチタン源としてアナタース型酸化チタンまたはルチル型酸化チタンのチタン酸化物を用いた比較例２～８のチタン酸リチウムより、いずれも電極活物質としての高い充放電特性を示している。このことからも、実施例１～６のチタン酸リチウムは、比較例２～８のチタン酸リチウムより不純物が少なく、優れた結晶性を有していることが考察される。
　また、実施例２と、リチウム源として水酸化リチウムを用いたこと以外は実施例２と同じ条件の比較例１とを比較すると、炭酸リチウムを用いた実施例２は、水酸化リチウムを用いた比較例１より電極活物質としての高い充放電特性を示すことが分かった。またこの結果は、実施例５と、リチウム源として水酸化リチウムを用いたこと以外は実施例５と同じ条件の比較例９とを比較した場合も同様である。実施例２及び５のチタン酸リチウムと比較例１及び９のチタン酸リチウムは、いずれも実質的に単相のＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２から構成されていることから（表１参照）、この充放電特性の相違は、両者の間の濡れ性や比表面積等の表面性状の違いに由来しているものと推察される。この点については、別途後述する。
　また、実施例１～６のチタン酸リチウムの中、チタン酸化合物がメタチタン酸の場合（実施例１～４）でもオルトチタン酸の場合（実施例５，６）でも、焼成温度が低い方が電極活物質としての高い充放電特性を示す傾向がある。その理由は、焼成温度が低いほどＬｉ成分の揮発が抑制されて、ＬｉとＴｉのモル比が理想の値（０．８０）に制御されたチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を得られたこと、そして低温焼成であるほど粒成長も抑えられ、比表面積が大きくなったためと考えられる。
　次に、得られたチタン酸リチウムの非水電解液に対する濡れ性を評価した。濡れ性評価には、浸透速度測定装置（ペネトアナライザＰＮＴ－Ｎ、ホソカワミクロン株式会社製）を用いた。評価方法としては、まず、試料を所定の測定セルに充填し、タッピングすることにより、空隙率が６７％となるように統一した。これを、リチウムイオン二次電池の非水電解液（１ｍｏｌ／Ｌ　ＬｉＰＦ６、ＥＣ：ＤＥＣ（１：２）Ｖ／Ｖ％、キシダ化学株式会社製）に浸漬し、試料層への浸透電解液の重量変化を測定した。その結果を図１，２に示す。さらに、濡れ性を示す指標である浸透速度係数を図１，２に示すグラフの初期の勾配より求めた。本発明では、この条件で求めた浸透速度係数を「非水電解液に対する浸透速度係数」と定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５より、リチウム源として炭酸リチウムを用い、これと組み合わせるチタン酸化合物としてメタチタン酸を用いることにより得られた実施例２のチタン酸リチウムは、浸透速度係数が０．０４ｇ２／ｓ以上である。一方、リチウム源として炭酸リチウムを用い、これと組み合わせるチタン酸化合物としてオルトチタン酸を用いることにより得られた実施例５のチタン酸リチウムは、浸透速度係数が０．０３ｇ２／ｓ以上である。従って、実施例２及び５のチタン酸リチウムは、いずれもリチウム源として水酸化リチウムを用いた比較例１及び９と比較しても高い値、すなわち良好な濡れ性を示していることが分かった。
　換言すれば、リチウム源として炭酸リチウムを用いることにより得られた実施例２及び５のチタン酸リチウムの浸透速度係数は０．０４４ｇ２／ｓ及び０．０３８ｇ２／ｓである。一方、リチウム源として水酸化リチウムを用いることにより得られた比較例１及び９のチタン酸リチウムの浸透速度係数は０．０２７ｇ２／ｓ及び０．０２９ｇ２／ｓである。従って、出発原料に炭酸リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの浸透速度係数は、出発原料に水酸化リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの浸透速度係数に比べて、少なくとも１０％以上大きいことが分かった。
　このように、チタン酸リチウムの非水電解液に対する濡れ性が良好であれば、充放電におけるＬｉイオンの挿入脱離反応が円滑に進むため、前記チタン酸リチウムを用いたリチウムイオン二次電池のレート性能もまた良好であると考えられる。事実、表３の中で、実施例２及び５の１０Ｃにおける放電容量は、それぞれに対応し、実質的に単相のＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２からなる比較例１及び９のチタン酸リチウムに対しても、そして他の比較例に対しても極めて高い値を示しており、このことからも、濡れ性がレート性能の重要な影響因子であることが推認される。
　以上の結果から、リチウム源として炭酸リチウムを用い、これと組み合わせるチタン酸化合物としてメタチタン酸またはオルトチタン酸を用いた場合の焼成温度は、７２３～９５０℃、好ましくは７２３～８５０℃、より好ましくは７２３～８００℃、最も好ましくは７５０℃であることが分かった。

Claims (12)

  1. 　リチウム化合物からなる原料粉末とチタン酸化合物からなる原料粉末とを混合し、焼成することにより、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を製造する方法において、前記リチウム化合物は炭酸リチウムであり、前記チタン酸化合物は、メタチタン酸またはオルトチタン酸であることを特徴とするチタン酸リチウムの製造方法。
  2. 　前記焼成温度は、７２３～９５０℃であることを特徴とする請求項１に記載のチタン酸リチウムの製造方法。
  3. 　前記焼成温度は、７２３～８００℃であることを特徴とする請求項１に記載のチタン酸リチウムの製造方法。
  4. 　前記焼成時間は、２０時間以下であることを特徴とする請求項１に記載のチタン酸リチウムの製造方法。
  5. 　請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法によって得られるチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）であって、比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であり、非水電解液に対する浸透速度係数は、出発原料に水酸化リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの同じ非水電解液に対する浸透速度係数よりも大きく、そして実質的に単相のＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２からなるチタン酸リチウム。
  6. 　出発原料に炭酸リチウムを用いることにより得られた前記チタン酸リチウムの浸透速度係数は、出発原料に水酸化リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの浸透速度係数に比べて、少なくとも１０％以上大きいことを特徴とする請求項５に記載のチタン酸リチウム。
  7. 　粉末Ｘ線回折測定において、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の２θ=１８°におけるピーク強度に対するアナタース型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、炭酸リチウム、Ｌｉ２ＴｉＯ３それぞれの相対強度が５％以下であることを特徴とする請求項６に記載のチタン酸リチウム。
  8. 　負極活物質として、請求項５に記載のチタン酸リチウムが用いられていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極。
  9. 　正極活物質として、請求項５に記載のチタン酸リチウムが用いられていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用の正極。
  10. 　請求項８に記載の負極又は請求項９に記載の正極が組み込まれていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
  11. 　出発原料に炭酸リチウムを用いることにより得られるチタン酸リチウムであって、比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であり、非水電解液に対する浸透速度係数は、出発原料に水酸化リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの同じ非水電解液に対する浸透速度係数よりも大きく、そして実質的に単相のＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２からなるチタン酸リチウム。
  12. 　出発原料に炭酸リチウムを用いることにより得られた前記チタン酸リチウムの浸透速度係数は、出発原料に水酸化リチウムを用いることにより得られたチタン酸リチウムの浸透速度係数に比べて、少なくとも１０％以上大きいことを特徴とする請求項１１に記載のチタン酸リチウム。
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CN201380014099.4A CN104169220A (zh) 2012-03-16 2013-03-14 钛酸锂及其制造方法、其用途
KR1020147023133A KR20140139486A (ko) 2012-03-16 2013-03-14 티탄산 리튬 및 그 제조 방법, 그 용도

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016038682A1 (ja) * 2014-09-09 2016-03-17 株式会社 東芝 非水電解質電池及び電池パック
JP2017016873A (ja) * 2015-06-30 2017-01-19 宇部興産株式会社 蓄電デバイスの電極用チタン酸リチウム粉末および活物質材料、並びにそれを用いた電極シートおよび蓄電デバイス
WO2022211106A1 (ja) * 2021-03-31 2022-10-06 宇部興産株式会社 チタン含有酸化物粉末、それを用いた負極活物質組成物、及び全固体二次電池
WO2024195719A1 (ja) * 2023-03-23 2024-09-26 堺化学工業株式会社 チタン酸凝集体

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105280908B (zh) * 2015-12-01 2018-10-19 山东东佳集团股份有限公司 利用硫酸法钛白中间品偏钛酸制备钛酸锂的方法
CN106006723A (zh) * 2016-05-12 2016-10-12 天津普兰能源科技有限公司 一种简易的钛酸锂的制备方法
CN110510664B (zh) * 2018-05-22 2021-08-10 银隆新能源股份有限公司 一种钛酸锂负极材料的制备方法和应用
CN109950491B (zh) * 2019-03-22 2021-11-02 上海昱瓴新能源科技有限公司 钛酸锂硅基复合负极材料及其制备方法
CN113777136A (zh) * 2021-09-07 2021-12-10 星恒电源股份有限公司 一种多电极检测电解液浸润性的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07320784A (ja) 1994-05-23 1995-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液リチウム二次電池
JP2000302547A (ja) 1999-02-16 2000-10-31 Toho Titanium Co Ltd チタン酸リチウムの製造方法およびリチウムイオン電池ならびにその負極。
JP2001192208A (ja) 1999-06-03 2001-07-17 Titan Kogyo Kk リチウムチタン複合酸化物及びその製造方法、並びにその用途
JP3894614B2 (ja) 1996-03-18 2007-03-22 石原産業株式会社 チタン酸リチウムの製造方法
JP2012006816A (ja) * 2010-06-28 2012-01-12 Hitachi Ltd チタン酸リチウム粒子およびその製造方法、リチウムイオン電池用負極、ならびにリチウム電池
JP2012028026A (ja) * 2010-07-20 2012-02-09 Nippon Chem Ind Co Ltd リチウム二次電池用負極活物質及びその製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100491602C (zh) * 2006-12-12 2009-05-27 成都理工大学 钛酸锂晶须的制备方法
CN101659442B (zh) * 2008-08-27 2011-08-17 比亚迪股份有限公司 一种尖晶石结构钛酸锂及其制备方法和应用
CN101587948B (zh) * 2009-06-19 2011-05-18 中南大学 一种Li4Ti5O12/C复合电极材料的制备方法
CN102208612B (zh) * 2011-04-25 2013-05-08 南京工业大学 高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法
CN102354748A (zh) * 2011-09-30 2012-02-15 苏州大学 一种锂离子电池负极材料及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07320784A (ja) 1994-05-23 1995-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液リチウム二次電池
JP3894614B2 (ja) 1996-03-18 2007-03-22 石原産業株式会社 チタン酸リチウムの製造方法
JP2000302547A (ja) 1999-02-16 2000-10-31 Toho Titanium Co Ltd チタン酸リチウムの製造方法およびリチウムイオン電池ならびにその負極。
JP2001192208A (ja) 1999-06-03 2001-07-17 Titan Kogyo Kk リチウムチタン複合酸化物及びその製造方法、並びにその用途
JP2012006816A (ja) * 2010-06-28 2012-01-12 Hitachi Ltd チタン酸リチウム粒子およびその製造方法、リチウムイオン電池用負極、ならびにリチウム電池
JP2012028026A (ja) * 2010-07-20 2012-02-09 Nippon Chem Ind Co Ltd リチウム二次電池用負極活物質及びその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2826749A4

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016038682A1 (ja) * 2014-09-09 2016-03-17 株式会社 東芝 非水電解質電池及び電池パック
JPWO2016038682A1 (ja) * 2014-09-09 2017-04-27 株式会社東芝 非水電解質電池及び電池パック
JP2017016873A (ja) * 2015-06-30 2017-01-19 宇部興産株式会社 蓄電デバイスの電極用チタン酸リチウム粉末および活物質材料、並びにそれを用いた電極シートおよび蓄電デバイス
WO2022211106A1 (ja) * 2021-03-31 2022-10-06 宇部興産株式会社 チタン含有酸化物粉末、それを用いた負極活物質組成物、及び全固体二次電池
WO2024195719A1 (ja) * 2023-03-23 2024-09-26 堺化学工業株式会社 チタン酸凝集体

Also Published As

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