説明

オリビン型化合物粒子粉末の製造方法、並びに非水電解質二次電池

【課題】 タップ密度が高いオリビン型化合物粒子粉末を簡便に製造することを技術的課題とする。
【解決手段】 オリビン型化合物粒子粉末の製造方法であって、鉄化合物、リン酸又はリン酸塩、リチウム化合物及び炭素成分を水中に添加・分散して混合スラリーとし、該混合スラリーを用いて造粒乾燥を行って前記原料の混合物からなる造粒物を得、当該造粒物を不活性ガス雰囲気下、400〜800℃で焼成し、焼成物を粉砕することを特徴とするオリビン型化合物粒子粉末の製造方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
充放電容量が大きく、充填性に優れたオリビン型化合物粒子粉末を簡便に得ることができる製造方法を提供する。
【背景技術】
【0002】
近年、AV機器やパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要求が高くなっている。また、近年地球環境への配慮から、電気自動車、ハイブリッド自動車の開発及び実用化がなされ、大型用途として保存特性の優れたリチウムイオン二次電池への要求が高くなっている。このような状況下において、充放電容量が大きく、安全性が高いという長所を有するリチウムイオン二次電池が注目されている。
【0003】
最近、3.5V級の電圧をもつ高エネルギー型のリチウムイオン二次電池に有用な正極活物質として、オリビン型LiFePOが高い充放電容量を有する電池として注目されてきている。しかし、この材料は、電気抵抗が本質的に大きく、電極としての充填性が悪い為、特性改善が求められている。
【0004】
即ち、オリビン型LiFePOは強固なりん酸4面体骨格と酸化還元に寄与する鉄イオンを中心にもつ酸素8面体とリチウムイオンから構成される。この結晶構造ため、充放電反応を繰り返すことによっても結晶構造は安定であり、サイクル特性は劣化しない特長がある。しかしリチウムイオンの移動経路が一次元的であることや自由電子が少ないという欠点が存在する。この課題を解決する為に、オリビン型LiFePOの一部にMn,Mg,Zr,Nb等を添加した材料の研究が行われてきたが、未だにこれらの課題を解決した材料は得られておらず、より電気抵抗の小さなものが求められている。
【0005】
またLiFePOは、粉末を構成する一次粒子径が小さいほど、高レートでの充放電特性がよい特徴があるので、優れた特性のオリビン型LiFePO複合酸化物正極を得るにはそれらが密に凝集した二次粒子で、かつカーボンのような低電気抵抗物質でネットワークを形成するように集合状態を制御する必要がある。しかし、カーボン等と複合化された正極はかさ高く、単位体積当たりに充填できる実質的なリチウムイオン密度が低くなるといった欠点がある。
【0006】
そこで、単位体積当たりの充放電容量を確保するためには、不純物の少なく電気抵抗の小さなオリビン型LiFePOを得るとともに、小さな結晶子サイズの一次粒子が電気抵抗の小さな導電性補助剤を介して高い密度を持った二次集合体を形成することが必要とされている。
【0007】
従来、オリビン型化合物粒子粉末を得る方法として、各種原料を溶解した水溶液を噴霧熱分解して得る方法(特許文献1)、鉄粉、リチウム塩リン酸記化合物を有機酸水溶液に溶解し、溶液を乾燥させた後、焼成して得る方法(特許文献2)、原料成分を凝集粒子とした後、焼成する方法(特許文献3)、水熱反応を行って前駆体を得た後、噴霧乾燥して造粒物を得、該造粒物を焼成する方法(特許文献4)等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2004−14340号公報
【特許文献2】特開2006−131485号公報
【特許文献3】特開2007−230784号公報
【特許文献4】特開2008−311067号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
非水電解質二次電池用の正極活物質として、タップ密度が高いオリビン型化合物粒子粉末を簡便に得る製造方法は、現在、最も要求されているところであるが、未だ確立されていない。
【0010】
即ち、前記特許文献1〜4記載の技術は、多数の工程を経てオリビン型化合物粒子粉末を製造するものであり、簡便にオリビン型化合物粒子粉末を製造できるとは言い難いものである。また、得られるオリビン型化合物粒子粉末は、高いタップ密度を有するとは言い難く、また、高密度が望まれる電極に対し、塗料化して塗布するための粉末としては適したものとは言い難いものである。
【0011】
そこで、本発明は、タップ密度が高いオリビン型化合物粒子粉末を簡便に製造することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。
【0013】
即ち、本発明は、オリビン型化合物粒子粉末の製造方法であって、鉄化合物、リン酸又はリン酸塩、リチウム化合物及び炭素成分を水中に添加・分散して混合スラリーとし、該混合スラリーを用いて造粒乾燥を行って前記原料の混合物からなる平均粒径が50〜250μmの造粒物を得、当該造粒物を不活性ガス雰囲気下、400〜800℃で焼成し、焼成物を粉砕することを特徴とするオリビン型化合物粒子粉末の製造方法である(本発明1)。
【0014】
また、本発明は、本発明1記載のオリビン型化合物粒子粉末の製造方法において、前記造粒乾燥が吹き上げ式で、造粒物が吹き上げる気圧より重くなり造粒物の自重によって落下した造粒物を回収することからなるオリビン型化合物粒子粉末の製造方法である(本発明2)。
【0015】
また、本発明は、得られるオリビン型化合物粒子粉末のタップ密度が0.7〜3.5g/ccである本発明1又は2記載のオリビン型化合物粒子粉末の製造方法である(本発明3)。
【0016】
また、本発明は、本発明1〜3のいずれかに記載の製造方法によって得られたオリビン型化合物粒子粉末を正極活物質またはその一部として用いた非水電解質二次電池である(本発明4)。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末の製造方法は、簡便な方法によって製造できるので、オリビン型化合物粒子粉末の製造方法として好適である。
【0018】
本発明に係る製造方法によって得られたオリビン型化合物粒子粉末は、タップ密度が高く、二次電池の電極を作製した際に電極密度を高くできるので、非水電解質二次電池用の正極活物質として好適である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本発明の構成をより詳しく説明すれば次の通りである。
【0020】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末の製造方法について述べる。
【0021】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末の製造方法は、鉄化合物、リン酸塩、リチウム化合物及び炭素成分を水中に分散・混合して原料スラリーとし、該原料スラリーを造粒乾燥して平均粒径が50〜250μmの造粒物を作製した後、不活性ガス雰囲気で焼成し、焼成物を粉砕して得ることができる。
【0022】
本発明で用いる鉄化合物としては、ゲーサイト、ヘマタイト又はマグネタイトを用いることができる。鉄化合物は平均粒子径が0.05〜0.50μmが好ましい。鉄化合物のBET比表面積は5〜100m/gが好ましい。
【0023】
本発明で用いるリン酸塩としては、リン酸(HPO)、五酸化リン等が使用できる。
【0024】
リチウム塩としては、水酸化リチウム(LiOH・HO)、炭酸リチウム等が使用できる。また、リン酸2水素リチウム、リン酸水素アンモニウム等も使用できる。
【0025】
本発明で用いる炭素成分としては、焼成した後、導電性を付与できる化合物であり、例えば、デキストリン、PVA、ショ糖、クエン酸、アスコルビン酸、でんぷん、マンナン、トレハロース等などである。
【0026】
出発原料の混合割合は、Li/Feのモル比が0.9〜1.1、Fe/Pのモル比が0.9〜1.1が好ましい。炭素成分はFeに対しC/Feのモル比が0.4〜1.0が好ましい。
【0027】
本発明においては、前記各種原料を水中に添加・分散して混合スラリーとする。
【0028】
本発明において、前記各種原料を添加した混合スラリーの固形分濃度は5〜30wt%に制御することが好ましい。
【0029】
本発明においては前記混合スラリーを噴霧乾燥して造粒物を得る。本発明においては、平均粒径が50〜250μmの造粒物が得られる装置・条件を用いればよいが、例えば、商品名 スプリュード(連続スプレー流動造粒乾燥装置、大川原製作所製)を用いることが好ましい。本発明においては、造粒乾燥が吹き上げ式で、造粒物が吹き上げる気圧より重くなり造粒物の自重によって落下した造粒物を回収する装置であることが好ましい。
【0030】
造粒乾燥に用いる装置の処理条件は、吹き込み温度:150〜200℃、風速:0.5〜0.8m/sec.程度が好ましい。
【0031】
造粒物は、平均粒径が50〜250μmとすることが好ましい。
【0032】
造粒物の組成は、仕込み組成とほぼ同様であり、Li/Feのモル比が0.9〜1.1、Fe/Pのモル比が0.9〜1.1が好ましい。炭素成分はFeに対しC/Feのモル比が0.4〜1.0が好ましい。なお、FeとLiとは複合化・化合物となっている必要は無い。
【0033】
得られた造粒物は、不活性ガス雰囲気下で400〜800℃の温度範囲で焼成する。400℃未満の場合には固相反応および鉄イオンの還元反応が十分に進まず、オリビン型(LiFePO)以外の他の結晶相が残存し、800℃を超える場合には生成粒子の一次結晶子サイズが0.5μm以上となるので好ましくない。好ましい焼成温度は400℃〜700℃である。
【0034】
焼成時の雰囲気は非酸化性または還元ガス雰囲気が好ましく、具体的には、窒素、水素等である。焼成時間は2〜20時間が好ましい。
【0035】
得られた焼成物は、所望の大きさとなるように粉砕すればよい。粉砕は常法に従って、行えばよい。粉砕に用いる装置としては、分級機能付粉砕装置、気流式微粉砕装置、アトマイザー(高速ハンマーミル)などを用いればよい。
【0036】
次に、本発明に係る製造方法によって得られるオリビン型化合物粒子粉末について述べる。
【0037】
本発明におけるオリビン型化合物粒子粉末の組成は、LiFe1−yPO(0.90<x<1.30、0≦y<0.3、M:Mg、Zr、Mn、Ti、Ce、Cr、Co、Ni)である。
xが前記範囲外の場合には、高い電池容量のLiFePO複合酸化物を得ることができない。より好ましくは0.98≦x≦1.10である。
yが前記範囲外の場合には、初期充放電容量の低下が著しくなる。置換元素Mは、Mg、Zr、Mn、Ti、Ce、Coがより好ましい。より好ましくは0.001<y≦0.25であり、更により好ましくは0.005≦y≦0.20である。
【0038】
本発明におけるオリビン型化合物粒子粉末の二次粒子(造粒物)の平均粒径は1.0〜50μmが好ましい。平均粒径が1.0μm未満の場合には、充填密度の低下や電解液との反応性が増加するため好ましくない。50μmを超える場合には、二次電池の電極用塗膜を形成する上では二次粒径が大きいものであり好ましくない。より好ましい二次粒子の平均粒径は1.2〜20.0μmである。
【0039】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末の二次粒子の粒子形状は、球状または扁平状であることが好ましい。
【0040】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末の炭素含有量は0.2〜10重量%が好ましく、炭素成分は二次粒子の内部及び/又は表面に存在することが好ましい。炭素含有量が0.2重量%未満の場合、電気抵抗率が大きくなる。また、炭素含有量が10重量%を超える場合、充填率が小さくなり、体積当たりの初期充放電容量が小さくなる。より好ましい炭素含有量は0.5〜8重量%である。
【0041】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末のBET比表面積は2〜30m/gが好ましい。BET比表面積値が2m/g未満の場合には、充放電レートが低下する。30m/gを超える場合には充填密度の低下や電解液との反応性が増加するため好ましくない。より好ましくは5〜25m/gである。
【0042】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末のタップ密度は、0.7〜3.5g/ccが好ましい。タップ密度が0.7g/cc未満の場合、体積あたりの電池容量が少なくなる。タップ密度が3.5g/ccを超える場合ものは工業的に製造することが困難である。タップ密度は0.75〜2.0g/ccがより好ましい。
【0043】
次に、本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末からなる正極活物質を用いた正極について述べる。
【0044】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末を用いて正極を製造する場合には、常法に従って、導電剤と結着剤とを添加混合する。導電剤としてはアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等が好ましく、結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等が好ましい。
【0045】
本発明におけるオリビン型化合物粒子粉末を用いた正極の電極密度は1.50g/cm以上であることが好ましい。
【0046】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末を用いて製造される二次電池は、前記正極、負極及び電解質から構成される。
【0047】
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム/アルミニウム合金、リチウム/スズ合金、グラファイト等を用いることができる。
【0048】
また、電解液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルの組み合わせ以外に、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル等のカーボネート類や、ジメトキシエタン等のエーテル類の少なくとも1種類を含む有機溶媒を用いることができる。
【0049】
さらに、電解質としては、六フッ化リン酸リチウム以外に、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩の少なくとも1種類を上記溶媒に溶解して用いることができる。
【0050】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末を用いて製造した二次電池は、C/10の充放電レートで、初期放電容量が140〜160mAh/g、5Cの充放電レートで、初期放電容量が70〜110mAh/g程度である。
【0051】
<作用>
通常、原料スラリーをスプレードライ法によって、造粒物を作製した場合には、リチウムの組成(Li/Fe)が仕込み組成に対してずれることが知られている。そこで、過剰のリチウムを添加して組成を揃える必要があった。本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末の製造方法では、造粒工程の前後におけるリチウムの組成ずれがないため、所望の組成を有する混合スラリーを調製することによって、そのまま目的とする組成のオリビン型化合物粒子粉末を製造することができるので、容易に組成を制御することができる。
また、本発明においては、混合スラリーの調製、造粒物の作製及び造粒物の焼成という少ない工程で製造でき、しかも、一度の焼成によって均一な組成を有し、しかも微細な組織構造とすることができるので、工業的にも優れた製造方法である。
【実施例】
【0052】
本発明の代表的な実施の形態は次の通りである。
【0053】
造粒物及びオリビン型化合物粒子粉末の平均粒径(D50:体積基準の平均二次粒子径)は、日機装(株)MICROTRAC HRA−9320型 粒度分布計を用いて測定した。
【0054】
鉄化合物粒子粉末の平均粒子径は以下の手順で測定を行った。まず、透過型電子顕微鏡を用いて粒子を観察し、個々の粒子が重ならず、ばらばらに分散している視野において倍率を調整し、写真を撮影した。次に、得られた写真を縦横4倍に拡大した後に、粒子約360個について長軸径及び短軸径を、DIGITIZER(型式:KD 4620、グラフテック株式会社製)を用いて測定し、それぞれ長軸径および短軸径の平均を算出し、その平均長軸径と平均短軸径の平均値を平均粒子径とした。
【0055】
比表面積は試料を窒素ガス下で120℃、45分間乾燥脱気した後、MONOSORB[ユアサアイオニックス(株)製]を用いてBET1点連続法により求めた比表面積である。
【0056】
組成分析は発光プラズマ分析装置ICAP−6500[サーモフィッシャーサイエンティフィク社製]を用いて測定した。
【0057】
炭素量は、炭素・硫黄測定装置 EMIA−520FA [(株)堀場製作所製]を用いて測定した。
【0058】
X線回折は、X線回折装置RINT−2500[(株)リガク製]を用いて、Cu−Kα、50kV,200mAにより行った。
【0059】
タップ密度は、タップデンサーKYT−3000[(株)セイシン企業製]を用いて測定した。
【0060】
電極密度は、下記の電極シート化条件で作製したシートを16mmΦに打ち抜いた重さからアルミ箔の重さを引いた値を、打ち抜いたシートの面積とアルミ箔の厚みを引いたシートの厚さから算出した体積で割って算出した。計算式は下記のとおりである。
電極密度(g/cm)=(打ち抜きシート重量―アルミ箔重量)/(打ち抜きシート面積×(打ち抜きシート厚さーアルミ箔の厚さ))
【0061】
オリビン型化合物粒子粉末を用いてコインセルによる初期充放電特性及び高温保存特性評価を行った。
まず、正極活物質としてオリビン型化合物粒子粉末を90重量%、導電材としてアセチレンブラックを3重量%及びグラファイトKS−16を3重量%、バインダーとしてN−メチルピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデン4重量%とを混合した後、Al金属箔に塗布し150℃にて乾燥した。このシートを16mmφに打ち抜いた後、5t/cmで圧着し、電極厚みを50μmとしたものを正極に用いた。負極は16mmφに打ち抜いた金属リチウムとし、電解液は1mol/lのLiPFを溶解したECとDMCを体積比1:2で混合した溶液を用いてCR2032型コインセルを作成した。
初期放電容量は、25℃の恒温槽中で、カットオフ電圧が3.0Vから4.3Vの間で、1/10Cの測定条件で初期充放電測定を行い算出した。
【0062】
[実施例1]
ゲーサイト微粒子(FeOOH:平均粒子径0.1μm、BET比表面積70m/g)、リン酸(HPO)、水酸化リチウム(LiOH・HO)及びデキストリンを水中に分散・混合して原料スラリーとした。このときの組成比は、Li/Feのモル比が1.0、Fe/Pのモル比が1.0であり、炭素成分はFeに対しC/Feのモル比が0.5であった。また、混合スラリーの固形分濃度は14.3wt%であった。
得られた混合スラリーを、商品名 スプリュード(連続スプレー流動造粒乾燥装置、大川原製作所製)に投入し、平均粒径が82μmの造粒物を得た。このときの条件は、吹き込み温度:150〜200℃、風速:0.5〜0.8m/sec.であった。
得られた造粒物の組成は、Li:Feが1:1であり、仕込み組成とほぼ同様であった。また、造粒物についてX線回折に構成相を確認したところ、ゲータイトとリン酸リチウム(LiPO)との混合物であることが確認された。
次に、得られた造粒物を不活性ガス中(窒素ガス)、650℃で2時間焼成した。次いで、分級機能付粉砕装置を用いて粉砕して、オリビン型化合物粒子粉末(LiFePO)を得た。
得られた焼成粉末についてX線回折に構成相を確認したところ、LiFePO単相であった。また、電子顕微鏡観察の結果、その構造は、LiFePOの結晶粒(一次粒子)の凝集体であり、その一次粒子の境界や、凝集体の表面に電気伝導度を付与するCが存在した。
【0063】
得られたオリビン型化合物粒子粉末の諸特性を表2に示す。
【0064】
実施例2〜4
製造条件を種々変更するとともに、所望の粒径となるように粉砕装置及び粉砕条件を種々変更して、オリビン型化合物粒子粉末を得た。このときの製造条件及び得られたオリビン型化合物粒子粉末の諸特性を表1及び表2に示す。なお、実施例4では焼成後の造粒物について気流式微粉砕装置を用いて粉砕した。
【0065】
比較例1
固相法によって、オリビン型化合物粒子粉末を製造した。
即ち、ゲーサイト微粒子(FeOOH:平均粒子径0.1μm、BET比表面積70m/g)、水酸化リチウム(LiOH・HO)、リン酸(HPO)およびデキストリンを混合し、混合物を窒素雰囲気下、650℃で2時間焼成してオリビン型化合物粒子粉末を得た。
得られたオリビン型化合物粒子粉末の諸特性を表2に示す。
【0066】
比較例2
スプレードライ法を用いて、オリビン型化合物粒子粉末を製造した。
即ち、実施例1と同様に原料スラリーを調製し、そのスラリーをスプレードライヤーで乾燥造粒した。ただし、このときの原料スラリーの組成比は、Li/Feのモル比が1.10、Fe/Pのモル比が0.90であり、炭素成分はFeに対しC/Feのモル比が0.5であった。また、混合スラリーの固形分濃度は23.0wt%であった。また、得られた造粒物の平均粒径(D50)は17μmであった。
次に、得られた造粒物を不活性ガス中(窒素ガス)、650℃で2時間焼成して、オリビン型化合物粒子粉末(LiFePO)を得た。
【0067】
得られたオリビン型化合物粒子粉末の諸特性を表2に示す。
【0068】
【表1】

【0069】
【表2】

【0070】
以上の結果から、本発明に係る製造方法によって得られたオリビン型化合物粒子粉末は、電極密度が高く、また、初期容量が大きいので、非水電解質二次電池用正極活物質として有効であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【0071】
本発明に係るオリビン型化合物粒子粉末の製造方法は、タップ密度が高いオリビン型化合物粒子粉末を簡便に製造することができるので、オリビン型化合物粒子粉末の製造方法として好適である。



【特許請求の範囲】
【請求項1】
オリビン型化合物粒子粉末の製造方法であって、鉄化合物、リン酸又はリン酸塩、リチウム化合物及び炭素成分を水中に添加・分散して混合スラリーとし、該混合スラリーを用いて造粒乾燥を行って前記原料の混合物からなる平均粒径が50〜250μmの造粒物を得、当該造粒物を不活性ガス雰囲気下、400〜800℃で焼成し、焼成物を粉砕することを特徴とするオリビン型化合物粒子粉末の製造方法。
【請求項2】
請求項1記載のオリビン型化合物粒子粉末の製造方法において、前記造粒乾燥が吹き上げ式で、造粒物が吹き上げる気圧より重くなり造粒物の自重によって落下した造粒物を回収することからなるオリビン型化合物粒子粉末の製造方法。
【請求項3】
得られるオリビン型化合物粒子粉末のタップ密度が0.7〜3.5g/ccである請求項1又は2記載のオリビン型化合物粒子粉末の製造方法。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法によって得られたオリビン型化合物粒子粉末を正極活物質またはその一部として用いた非水電解質二次電池。


【公開番号】特開2011−132095(P2011−132095A)
【公開日】平成23年7月7日(2011.7.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−295274(P2009−295274)
【出願日】平成21年12月25日(2009.12.25)
【出願人】(000166443)戸田工業株式会社 (406)
【Fターム(参考)】