説明

フッ素化されたリチウム含有複合金属酸化物粒子の製造方法

【課題】リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子の均一なフッ素化を比較的短時間で行うことができるフッ素化された複合金属酸化物粒子の製造方法を提供する。
【解決手段】リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子にフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスを接触させてフッ素化されたリチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子を製造する際に、リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子とフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスとの接触を振動式反応機によって行うことを特徴とするフッ素化されたリチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、たとえばリチウム二次電池に代表される二次電池の正極活物質として用いられているリチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子をフッ素化してフッ素化されたリチウム含有複合金属酸化物粒子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウム二次電池などの二次電池の電池特性の要求が近年特に高まり、特に電池容量、サイクル特性、負荷特性などに加えて耐電圧の向上も要求されている。
【0003】
これらの要求に対して電解液の改良も行われているが、電極材料の観点からの改善も種々なされている。
【0004】
電極材料のうち、正極活物質に着目した改良として、正極活物質として汎用されている、リチウムと遷移金属との複合金属酸化物による電解液の酸化・分解を抑制するために、このリチウム含有複合金属酸化物粒子を部分的にフッ素化することが提案されている(特許文献1〜5)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−192896号公報
【特許文献2】特開2005−011688号公報
【特許文献3】特開2006−286240号公報
【特許文献4】特開2009−164138号公報
【特許文献5】特開2009−164139号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
これらのリチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子の部分フッ素化技術は、フッ素ガスの分圧を特定の範囲に制御し、要すれば複合金属酸化物粒子の粒子径や比表面積を特定の範囲に調整して、複合金属酸化物粒子のフッ素化度を調整している。
【0007】
これら従来の部分フッ素化は、フッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスが充填された反応器内に常圧下にて複合金属酸化物粒子を放置(静置)する方法(たとえば特許文献1)ほか、複合金属酸化物粒子をフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスが充填されている反応容器内で撹拌させる方法(特許文献2〜5)も例示されているが、実際は、反応器内に薄く満遍なく敷き詰められた複合金属酸化物粒子に減圧下にフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスを導入する方法によって行われている。
【0008】
このように放置(静置)によってフッ素化ガスと接触反応させる方法では、フッ素化ガスとの接触がどうしても不均一になり、また、できるだけ均一にフッ素化させようとすると長時間を要し、一方、短時間で均一なフッ素化処理をしようとすると1回の処理量を少なくしなければならない。
【0009】
本発明は、リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子の均一なフッ素化を比較的短時間で行うことができるフッ素化された複合金属酸化物粒子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子(以下、「リチウム含有複合金属酸化物粒子」という)にフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスを接触させてフッ素化されたリチウム含有複合金属酸化物粒子(以下、「フッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子」という)を製造する際に、リチウム含有複合金属酸化物粒子とフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスとの接触を振動式反応機によって行うことを特徴とするフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の製造方法に関する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、リチウム含有複合金属酸化物粒子の均一なフッ素化を比較的短時間で行うことができるフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の製造方法を提供することができる。また、本発明の製造方法によれば、処理量を増やしても均一なフッ素化処理を行うことができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明においてフッ素化されるリチウム含有複合金属酸化物粒子としては、特にリチウム二次電池の正極活物質として用いられるものが好ましくあげられる。
【0013】
リチウム含有複合金属酸化物としては、たとえば遷移金属としてNi、Co、Mn、Al、Feなどを含む式(1):
Lix1y21-y2
(式中、0.4≦x≦1;0.3≦y≦1;M1はNiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種;M2はCo、AlおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種)で示されるリチウム含有複合金属酸化物があげられる。
【0014】
具体的には、
式(1−1):
LiNixCoyAlz2
(式中、0.7≦x≦1;0≦y≦0.3;0≦z≦0.03;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(1−2):
LiNixCoyMnz2
(式中、0.3≦x≦0.6;0≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(1−3):
LixMnz2
(式中、0.4≦x≦0.6;0.9≦z≦1)、または
式(1−4):
LiFexCoyMnz2
(式中、0.3≦x≦0.6;0.1≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)
式(1−5)
LiFePO4
で示されるリチウム含有複合金属酸化物が、リチウム電池の正極活物質として用いた場合、得られるリチウム電池の高温特性、高電圧特性が良好であり、高容量な点から好ましい。
【0015】
式(1−1)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLiNi0.8Co0.22、LiNi0.7Co0.32、LiNi0.82Co0.15Al0.032、LiNi0.7Co0.2Al0.12、LiNi0.8Co0.15Al0.052、LiNi0.85Co0.1Al0.52などがあげられ、なかでもLiNi0.82Co0.15Al0.032(NCA)が好ましい。
【0016】
式(1−2)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLiNi0.5Mn0.52、LiNi0.75Mn0.252、LiNi0.25Mn0.752、LiNi1/3Co1/3Mn1/32、LiNi0.4Co0.2Mn0.42、LiNi0.3Co0.5Mn0.22などがあげられ、なかでもLiNi1/3Co1/3Mn1/32(NCM)が好ましい。
【0017】
式(1−3)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLi0.5MnO2(スピネルマンガン)、Li2Mn24、LiMnO2などがあげられる。
【0018】
式(1−4)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLiFe1/3Co1/3Mn1/32、Li0.5Fe1/3Co1/3Mn1/32、LiFe0.4Co0.3Mn0.32、Li0.5Fe0.4Co0.3Mn0.32などがあげられる。
【0019】
そのほか、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24なども使用できる。
【0020】
なかでも具体的には、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiMn24、Li2Mn24、LiNi0.8Co0.15Al0.052、LiNi0.8Co0.22、LiFePO4またはLiNi1/3Co1/3Mn1/32が、エネルギー密度が高く、高出力なリチウム二次電池を提供できる点から好ましい。
【0021】
これらのリチウム含有複合金属酸化物の粒子としては、平均粒子径が0.1〜24μm、さらには0.2〜20μmであって、比表面積が0.05〜2m2/g、さらには0.1〜1.5m2/gであることが、フッ素化の程度を制御しやすく、かつリチウム電池の正極活物質として用いた場合、得られるリチウム電池の容量発現率(理論容量に対する実際に発現した容量の割合)が良好な点で好ましい。
【0022】
リチウム含有複合金属酸化物粒子をフッ素化するフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスとしては、フッ素ガスの単独、またはフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガス(フッ素ガス含有ガス)があげられる。
【0023】
本発明におけるフッ素化は、完全フッ素化ではなく、たとえば正極活物質の活性点を残す必要があるため、部分的なフッ素化である。したがって、フッ素ガス濃度(フッ素ガスの分圧)を調整した形でリチウム含有複合金属酸化物粒子と接触させることが望ましい。
【0024】
フッ素ガス濃度(分圧)調整は、フッ素ガスを単独で用いる場合は反応器内を目的とする圧力(分圧)になるように減圧する方法が好ましい。フッ素ガス含有ガスを用いる場合は、不活性ガスとの割合を目的とするフッ素ガス分圧になるように調整する方法が好ましい。用いる不活性ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどがあげられる。なかでも取扱いが容易な点からアルゴンガスまたは窒素ガスが好ましい。
【0025】
フッ素ガス濃度が高くなるとリチウム含有複合金属酸化物粒子のフッ素化率が高くなり、一般的にフッ素化のバラツキの程度が少なくなる。一方、フッ素ガス濃度を低くするとリチウム含有複合金属酸化物粒子のフッ素化率が低くなると共に、一般的にフッ素化のバラツキの程度が大きくなる。本発明の方法は特にフッ素ガス濃度が比較的低い場合に特に有効であり、フッ素ガス濃度が比較的低い場合においてもフッ素化のバラツキを少なくすることができる。
【0026】
この観点から、フッ素ガス濃度は、0.001モル%(フッ素ガス分圧:0.01kPa以下、カッコ内は同じ)以上で30モル%(300kPa)以下が好ましい。0.001モル%(0.01kPa)よりも小さくなるとフッ素化に長時間を要し、フッ素化も不充分となる傾向にある。30モル%(300kPa)よりも大きくなると、フッ素化の制御が難しくなり、均一なフッ素化を達成しにくくなる傾向にある。好ましいフッ素ガス分圧は、0.02モル%(0.2kPa)以上、さらには0.05モル%(0.5kPa)以上が好ましく、20モル%(200kPa)以下、さらには10モル%(100kPa)以下、特に5モル%(50kPa)以下が好ましい。
【0027】
本発明の特徴は、リチウム含有複合金属酸化物粒子のフッ素化反応を振動式反応機で行う点にある。
【0028】
振動式反応機とは、粉末に振動を加えながら反応を行う装置である。たとえば炭素粒子のフッ素化の場合では、平板上に炭素粉末を置き、平板を上下に振動させることにより粉末を流動させつつフッ素ガスと反応させることで反応を行う。また、粉体を振動させながら乾燥、粉砕またはふるいを行う振動式乾燥機や振動式粉砕機、振動式篩機でも、当該装置にフッ素ガスを導入することで振動式反応機とすることができ、フッ素化反応を行うことができる。また、波動式スクリーンを振動式反応機として用いて粉体を振動させながらフッ素ガスと反応させることも可能である。振動式反応機の例としては、たとえば特開平6−256008号公報などに記載されたものがあげられる。また、市販の装置としては、たとえば中央化工機(株)製のVH型振動乾燥機、村上精機工作所(株)製のバイブロミルなどがあげられるが、これらに限定されるものではない。
【0029】
振動式反応機の特徴は、個々の粒子が振動することにより気体(フッ素ガス)との接触面が常に更新され、表面でのフッ素化反応が均一に行われる点にある。また、別の特徴は、個々の粉体間でのフッ素化率のバラつきが少ない点にある。したがって、従来の放置(静置)法に比して、同一粉体内でのフッ素化率の均一性、および粉体間でのフッ素化率の均一性の点でフッ素化の効率および均質化に優れている。
【0030】
振動式反応機を用いたフッ素化の条件としては、たとえばつぎの条件が好ましく挙げられるが、これらの条件に限定されるものではない。
【0031】
振動数:0.01〜10パルス/秒、さらに好ましくは0.03〜5パルス/秒
フッ素化ガス中のフッ素濃度:0.001〜20モル%(フッ素ガス分圧0.01〜200kPa)、さらに好ましくは0.02〜10モル%(フッ素ガス分圧0.2〜100kPa)
反応機内温度(反応温度):−50〜300℃、さらに好ましくは−10〜200℃
反応時間:バッチ式では0.05〜1時間、連続式では0.01〜1時間
【0032】
フッ素化反応に供せられ反応室外に排出されたフッ素ガスは、循環使用することができる。循環使用する場合、適宜、フッ素濃度(フッ素ガス分圧)を当初の濃度(分圧)にまで調整し、また、フィルターなどを介して、複合金属酸化物粒子の微粉などを除くことが好ましい。
【0033】
本発明の製造方法で得られるフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子は、好ましくはX線光電子分光法(XPS)にて測定した表面のフッ素含有量が0.01〜20モル%、さらには0.01〜15モル%である。表面フッ素含有量が0.01モル%よりも少ないときはフッ素化の効果が現れないことがあり、15モル%を超えると抵抗が増大し、リチウム電池の正極活物質として用いた場合、得られるリチウム電池の電池容量が減少する傾向にある。フッ素化後の粒子径は、振動により破壊される粒子もあるが、フッ素化前の粒子径がほぼ保たれる。
【0034】
本発明の製造方法で得られたフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子は、非水電解液型のリチウム二次電池の正極活物質として最適である。そのほか、リチウム空気電池、電気二重層コンデンサなどの電極の活物質として有用である。
【実施例】
【0035】
つぎに本発明の製造方法を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【0036】
本発明における各物性の測定方法はつぎのとおりである。
【0037】
(1)平均粒子径
レーザー回折法(日機装(株)製のX−100)にて粒度分布を測定し、平均粒子径を算出する。
(2)表面フッ素含有量
XPSにて粒子表面の全原子を測定し、粒子表面のフッ素原子の含有量(モル%)を算出する。
(3)比表面積
BET比表面積測定装置(日本BEL(株)製のBelsorp)にてBET比表面積を測定する。
【0038】
実施例1
表1に示すリチウム含有複合金属酸化物粒子100gを平板に載せ、密閉型の振動式反応機内にセットした。振動式反応機内を3回真空窒素置換した後、0.5パルス/秒で振動させながらF2/N2混合ガス(フッ素濃度30モル%)を25℃にて30分間導入してフッ素化を行った。ついで10分間静置したのち、真空/窒素置換を3回行い、回収した。
【0039】
得られたフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の表面フッ素含有量を表1に示す。また、サンプリングの場所を変えて12点で表面フッ素含有量を測定し、表面フッ素含有量の最大バラツキ(%){=(最大または最小の表面フッ素含有量)/(表面フッ素含有量の平均値)×100}を調べた。結果を表1に示す。なお、フッ素化処理前後で平均粒子径、BET比表面積に変化はなかった。
【0040】
使用したリチウム含有複合金属酸化物粒子はつぎのものであった。
LiNi1/3Co1/3Mn1/32:平均粒子径10μm、BET比表面積0.6m2/g
LiNi0.8Co0.22:平均粒子径11μm、BET比表面積0.4m2/g
LiNi0.8Co0.15Al0.052:平均粒子径12μm、BET比表面積0.3m2/g
LiFePO4:平均粒子径12μm、BET比表面積0.3m2/g
Li2Mn24:平均粒子径7μm、BET比表面積0.7m2/g
【0041】
実施例2〜5
実施例1において、導入するフッ素化用のF2/N2混合ガスのフッ素濃度を20モル%(実施例2)、10モル%(実施例3)、5モル%(実施例4)および1モル%(実施例5)に変更したほかは同様にして振動式反応機によりリチウム含有複合金属酸化物粒子のフッ素化を行い、得られたフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の表面フッ素含有量および最大バラツキを調べた。結果を表1に示す。
【0042】
【表1】

【0043】
実施例6
実施例2において、導入するフッ素化用のF2/N2混合ガス(フッ素濃度20モル%)の希釈ガスとしてN2ガスに代えてArガスにした混合ガスを用いたほかは同様にして振動式反応機によりリチウム含有複合金属酸化物粒子のフッ素化を行い、得られたフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の表面フッ素含有量および最大バラツキを調べた。結果を表2に示す。
【0044】
実施例7
実施例2において、導入するフッ素化用のF2/N2混合ガスに代えて純フッ素ガス(フッ素濃度100モル%)を単独で導入したほかは同様にして振動式反応機によりリチウム含有複合金属酸化物粒子のフッ素化を行い、得られたフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の表面フッ素含有量および最大バラツキを調べた。結果を表2に示す。
【0045】
実施例8
実施例1において、F2ガスをフィルターを通して30分間循環して用いた。結果は実施例1とほとんど変わらなかった。
【0046】
比較例1
表1に示すリチウム含有複合金属酸化物粒子100gを平板に載せ、300ml容量のオートクレーブ中に載置し、F2/N2混合ガス(フッ素濃度20モル%)を25℃にて30分間導入してフッ素化を行った。ついで10分間静置したのち、真空/窒素置換を3回行い、回収した。
【0047】
得られたフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の表面フッ素含有量および最大バラツキを調べた。結果を表2に示す。
【0048】
比較例2
表1に示すリチウム含有複合金属酸化物粒子100gを平板に載せ、300ml容量のオートクレーブ中に載置し、F2/N2混合ガス(フッ素濃度5モル%)を30分間導入してフッ素化を行った。ついで10分間静置したのち、真空/窒素置換を3回行い、回収した。
【0049】
得られたフッ素化リチウム含有複合金属酸化物粒子の表面フッ素含有量および最大バラツキを調べた。結果を表2に示す。
【0050】
【表2】

【0051】
表1および表2に示す結果から、振動を加えない場合、フッ素化度にバラつきが大きくなるということが分かる。
【0052】
実施例9
(コイン型電池の作製)
アルミ集電体上にフッ素化したリチウム含有複合金属酸化物粒子とカーボンブラックとポリフッ化ビニリデン(呉羽化学(株)製。商品名KF−7200)を92/3/5(質量%比)で混合した正極活物質をN−メチル−2−ピロリドンに分散してスラリー状とした正極合剤スラリーを均一に塗布し、乾燥して正極合剤層(厚さ50μm)を形成し、その後、ローラプレス機により圧縮成形して、正極積層体を製造した。
【0053】
正極積層体を打ち抜き機で直径1.6mmの大きさに打ち抜き、円状の正極を作製する。
【0054】
別途、人造黒鉛粉末(日立化成(株)製。商品名MAG−D)に、蒸留水で分散させたスチレン−ブタジエンゴムを固形分で6質量%となるように加え、ディスパーザーで混合してスラリー状としたものを負極集電体(厚さ10μmの銅箔)上に均一に塗布し、乾燥し、負極合剤層を形成し、その後、ローラプレス機により圧縮成形し、打ち抜き機で直径1.6mmの大きさに打ち抜き円状の負極を作製する。
【0055】
上記の円状の正極を厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルム(セパレータ)を介して正極と負極を対向させ、電解液(LiPF6濃度1.3Mのエチレンカーボネート(EC)/ジメチルカーボネート(DMC)/HCF2CF2CH2OCF2CF2H(体積比3/6/1)+ビニレンカーボネート(VC)0.2%+フルオロエチレンカーボネート(FEC)5%電解液)を注入し、電解液がセパレータなどに充分に浸透した後、封止し予備充電、エージングを行い、コイン型のリチウム二次電池を作製する。
【0056】
(電池特性の測定)
コイン型リチウム二次電池について、つぎの要領で放電容量からサイクル特性(サイクル維持率)を調べた。結果を表3に示す。
【0057】
充放電条件
充電:1.0C、所定の電圧にて充電電流が1/10Cになるまでを保持(CC・CV充電)
放電:1C 3.0Vcut(CC放電)
【0058】
(サイクル特性)
サイクル特性については、上記の充放電条件(1.0Cで所定の電圧にて充電電流が1/10Cになるまで充電し1C相当の電流で3.0Vまで放電する)で行う充放電サイクルを1サイクルとし、5サイクル後の放電容量と100サイクル後の放電容量を測定する。サイクル特性は、つぎの計算式で求められた値をサイクル維持率の値とする。サイクルを行う温度は60℃とする。
【0059】
サイクル維持率(%)=100サイクル放電容量(mAh)/5サイクル放電容量(mAh)×100
【0060】
【表3】

【0061】
表3に示す結果から、適切にフッ素化を行った正極ではサイクル維持率がよい、すなわちサイクル特性がよいということが分かる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子にフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスを接触させてフッ素化されたリチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子を製造する際に、リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子とフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスとの接触を振動式反応機によって行うことを特徴とするフッ素化されたリチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子の製造方法。
【請求項2】
リチウムと遷移金属との複合金属酸化物粒子と接触した後のフッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスを振動式反応機に循環させる請求項1記載の製造方法。
【請求項3】
フッ素ガスまたはフッ素ガス含有ガスをフィルターを介して循環する請求項2記載の製造方法。

【公開番号】特開2012−116698(P2012−116698A)
【公開日】平成24年6月21日(2012.6.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−267133(P2010−267133)
【出願日】平成22年11月30日(2010.11.30)
【出願人】(000002853)ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Fターム(参考)】