JP2012185979A

JP2012185979A - 電極活物質の製造方法

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Publication number: JP2012185979A
Application number: JP2011047608A
Authority: JP
Inventors: Koji Ono; 宏次大野; Akira Ninsoku; 暁忍足
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-09-27
Also published as: TW201246671A; WO2012121110A1; US20130337329A1; EP2683007A4; EP2683007A1; CN103403932A

Abstract

【課題】Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）粒子の表面に、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、膜質良くかつ安価に形成することが可能な電極活物質の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に懸濁してなるスラリーを、乾燥し、次いで、非酸化性雰囲気下にて熱処理する。
【選択図】なし

Description

本発明は、電極活物質の製造方法に関し、特に詳しくは、リチウムイオン電池の電極材料として好適に用いられ、オリビン構造を有するリン酸塩系活物質を用いることで、負荷特性、サイクル特性及びエネルギー密度に優れたリチウムイオン電池を実現することが可能な電極活物質の製造方法に関するものである。

近年、小型化、軽量化、高容量化が期待される電池として、リチウムイオン電池等の非水電解液系の二次電池が提案され、実用に供されている。
リチウムイオン電池は、従来の鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の二次電池と比べて、軽量かつ小型で高エネルギーを有しており、携帯用電話機、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器の電源として用いられているが、近年、電気自動車、ハイブリッド自動車、電動工具等の高出力電源としても検討されている。これらの高出力電源として用いられる電池の電極活物質には、高速の充放電特性が求められている。また、発電負荷の平滑化、定置用電源、バックアップ電源等の大型電池への応用も検討されており、長期の安全性、信頼性と共に、資源的に豊富で安価であること（資源量の問題が無いこと）も重要視されている。

リチウムイオン電池は、リチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な性質を有する正極及び負極と、非水系の電解質とにより構成されている。
この正極は、正極活物質と称されるリチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な性質を有するリチウム含有金属酸化物、導電助剤及びバインダーを含む電極材料により構成されており、この電極材料を集電体と称される金属箔の表面に塗布することにより正極とされている。
この正極活物質としては、通常、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）が用いられているが、その他、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）等のリチウム（Ｌｉ）化合物が用いられている。

ところで、これらのリチウム化合物のうち、コバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムは、人体や環境に対する毒性、資源量、充電状態の不安定性等の種々の問題点を有している。また、マンガン酸リチウムは、高温下で電解液中へ溶解するという問題点が指摘されている。
そこで、近年では、長期の安全性、信頼性に優れた、リン酸鉄リチウムに代表されるオリビン構造を有するリン酸塩系電極活物質が注目を集めている。
このリン酸塩系電極活物質は、電子伝導性が十分ではないために、大電流の充放電を行うためには、粒子の微細化、導電性物質との複合化等さまざまな工夫が必要であり、多くの努力がなされている。

しかしながら、粒子の微細化や導電性物質を多量に用いた複合化を行った場合、電極密度の低下を招き、引いては電池の密度低下、即ち単位容積当たりの容量低下を引き起こしてしまうという問題点がある。そこで、この問題点を解決する方法として、電子導電性物質である炭素前駆体として有機物溶液を用い、この有機物溶液と電極活物質粒子とを混合した後、乾燥し、得られた乾燥物を非酸化性雰囲気下にて熱処理し、有機物を炭化させることにより、電極活物質粒子の表面を炭素で被覆する炭素被覆法が見出された。

この炭素被覆法は、電極活物質粒子の表面に、必要最少限の量の炭素を極めて効率良く被覆させることが可能であり、しかも、電極密度を大きく低下させること無く、導電性の向上を図ることができるという優れた特徴を有することから、様々な提案がなされている。
これらの提案の１つに、ＬｉＦｅＰＯ_４からなる粒子の表面を、還元糖の熱分解により生成した炭素により被覆した電極材料がある（特許文献１）。
この電極材料は、リチウム成分と、Ｆｅ成分と、Ｐ成分と、還元糖とを含む溶液または懸濁液を噴霧し、加熱することにより、容易に合成することができる。
また、本発明者等は、ＬｉＦｅＰＯ_４−炭素複合材料の安価な製造方法として、安価な三価の鉄原料と有機物とを混合し、不活性雰囲気下で熱処理する方法を既に提案している（特許文献２）。

特開２００９−１９０９５７号公報特許第４５２２６８２号公報

ところで、従来の炭素被覆法で得られた多くの電極材料は、実際には、ＬｉＦｅＰＯ_４単体、もしくはＬｉＦｅＰＯ_４単体に若干の異種元素を含む化合物を添加したものの場合にのみ、効果を発揮しているに過ぎず、ＬｉＦｅＰＯ_４以外の電極材料、例えば、ＬｉＭｎＰＯ_４の電極材料は、比較的資源量が豊富、より高電圧で動作することが可能、より高エネルギー密度が得られるという点で期待されているものの、電極密度に悪影響を及ぼさない程度の、少量の炭素被覆による良好な電極性能の発現はなされていないのが現状である。

その理由としては、Ｍｎは炭化反応を抑制する負触媒として知られており、このことが、ＬｉＦｅＰＯ_４で有効に用いることのできる有機物による炭素被覆法を、ＬｉＭｎＰＯ_４に適用しても、十分な効果を得ることができない最大の要因である。
ＬｉＭｎＰＯ_４にＬｉＦｅＰＯ_４を固溶させた電極活物質に同様の炭素被覆を施した例は報告されているが、これは固溶体とすることで粒子表面に炭化触媒であるＦｅが現れた結果に他ならない。ここで、負触媒であるＭｎの作用に勝る十分なＦｅを粒子表面に生じさせるためには、少なくともＦｅ／Ｍｎ比が１０／９０を超えるほどの多量のＦｅを固溶させる必要が有り、その結果、より電気化学的な反応電位の低い領域が全体の１０％を超えることとなってしまい、高電位で高エネルギーのＬｉＭｎＰＯ_４の効果を十分に発揮することができない。

このような問題点を解決する電極活物質として、本発明者等は、有機物炭化による炭素被覆が困難なＬｉＭｎＰＯ_４やＬｉＣｏＰＯ_４の電極活物質の表面のみを、最低限のＬｉＦｅＰＯ_４やＬｉＮｉＰＯ_４を含む被覆層により被覆した電極活物質、この被覆層の表面を、さらに炭素質の電子伝導性物質を含む被覆層により被覆した電極活物質、ＬｉＭｎＰＯ_４やＬｉＣｏＰＯ_４の粒子の表面を、ＬｉＦｅＰＯ_４やＬｉＮｉＰＯ_４と炭素質の電子伝導性物質との複合体からなる被覆層により被覆した電極活物質、を提案している（特願２０１０−４５２３５号）。
しかしながら、この電極活物質では、確かに高電位で高エネルギーを実現することができるものの、この電極活物質の表面に、膜質に優れた炭素質の電子伝導性被覆層を安価に形成する方法については、十分に検討がなされていなかった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）からなる粒子の表面に、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、膜質良くかつ安価に形成することが可能な電極活物質の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究を行なった結果、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）からなる粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に懸濁してなるスラリーを、乾燥し、次いで、非酸化性雰囲気下にて熱処理することとすれば、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子の表面に、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、膜質良くかつ安価に形成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の電極活物質の製造方法は、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）からなる粒子の表面を、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層により被覆してなる電極活物質の製造方法であって、
前記Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に懸濁してなるスラリーを、乾燥し、次いで、非酸化性雰囲気下にて熱処理することを特徴とする。

前記Ｌｉ源、前記Ｆｅ源、前記ＰＯ_４源及び前記炭素源を含む前記水性溶液は、均一な溶液相であることが好ましい。

本発明の電極活物質の製造方法によれば、炭化触媒である鉄原料に、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)という安価な三価の鉄原料を用いることで、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）からなる粒子の表面に、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、膜質良くかつ安価に形成することができる。

この硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)という炭化触媒は、被覆層形成後は、それ自体が良好な電極活物質となり、したがって、上記のＬｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子に対するＬｉの挿入脱離を阻害することもなく、極めて良好な特性を有する電極活物質を得ることができる。

オリビン構造を有するＬｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）からなる電極材料を用い、必要最低限のＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を効果的に形成することで、より高電圧、高エネルギー密度、高負荷特性で、長期のサイクル安定性や安全性が期待できるリチウムイオン電池用電極材料、電極板及びリチウムイオン電池を作製することができる。

さらに、Ｌｉ源、Ｆｅ源、ＰＯ_４源及び炭素源を、均一な溶液相としたので、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子の表面に形成されるＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層の膜質が均一になり、膜厚も薄くなる。したがって、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子の表面に、膜質が均一かつ膜厚も薄いＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、効果的かつ容易に形成することができる。

本発明の実施例３の電極活物質を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。比較例の電極活物質を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。本発明の実施例１及び比較例各々の充放電特性を示す図である。

本発明の電極活物質の製造方法を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

本実施形態の電極活物質の製造方法は、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）からなる粒子の表面を、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層により被覆してなる電極活物質の製造方法であり、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に懸濁してなるスラリーを、乾燥し、次いで、非酸化性雰囲気下にて熱処理する方法である。

Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４で表される粒子は、Ｌｉ源、Ａ源及びＤ源を、これらのモル比（Ｌｉ源：Ａ源：Ｄ源）がｗ：ｘ：１となるように水を主成分とする溶媒に投入し、撹拌してＬｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４の前駆体溶液とし、この前駆体溶液を耐圧容器に入れ、高温、高圧下、例えば、１２０℃以上かつ２５０℃以下、０．２ＭＰａ以上にて、１時間以上かつ２４時間以下、水熱処理を行うことにより得ることができる。
Ｌｉ源としては、例えば、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）等のＬｉ化合物が、Ａ源としては、Ｍｎ、Ｃｏの群から選択される１種または２種の化合物が、Ｄ源としては、Ｐ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上の化合物が、用いられる。
この場合、水熱処理時の温度、圧力及び時間を調整することにより、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子の粒子径を所望の大きさに制御することが可能である。

このようにして得られたＬｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に投入し、撹拌し懸濁させてスラリーとする。

上記のＬｉ源、Ｆｅ源、ＰＯ_４源及び炭素源を含む水性溶液は、均一な溶液相であることが好ましい。
この水性溶液を、均一な溶液相とすれば、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子の表面に形成されるＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層の膜質が均一になり、膜厚も薄くなる。

ここで、水溶性有機物としては、水に可溶であり、しかも非酸化性雰囲気下にて熱処理することにより炭素を生成する有機物であればよく、特に制限はされないが、例えば、ヘキサノール、オクタノール等の高級一価アルコール、アリルアルコール、プロピノール（プロパルギルアルコール）、テルピネオール等の不飽和一価アルコール、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が挙げられる。

このスラリー中の水溶性有機物の濃度は、特に限定されるものではないが、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子の表面に、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を均一に形成するためには、１質量％以上かつ２５質量％以下が好ましい。

この水溶性有機物を溶解させる溶媒としては、この水溶性有機物が溶解するものであればよく、特に制限されないが、例えば、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール（イソプロピルアルコール：ＩＰＡ）、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、ジアセトンアルコール等のアルコール類、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン等のエステル類、ジエチルエーテル、エチレングルコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）、エチレングルコールモノエチルエーテル（エチルセロソルブ）、エチレングルコールモノブチルエーテル（ブチルセロソルブ）、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、アセチルアセトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類等を挙げることができる。これらは、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

次いで、このスラリーを乾燥して乾燥物を得、この乾燥物を、非酸化性雰囲気下、５００℃以上かつ１０００℃以下、好ましくは６００℃以上かつ９００℃以下の範囲内の温度にて、１時間以上かつ２４時間以下熱処理する。
このスラリーを乾燥する方法としては、特に限定はしないが、粒度分布が狭い球形の粉体が得られる点で、スプレードライヤーを用いて所定の温度下にて噴霧乾燥する噴霧乾燥法が好適である。

この非酸化性雰囲気としては、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）等の不活性雰囲気が好ましく、より酸化を抑えたい場合には水素（Ｈ_２）等の還元性ガスを含む還元性雰囲気が好ましい。また、熱処理時に非酸化性雰囲気中に蒸発した有機分を除去する目的で、酸素（Ｏ_２）等の支燃性及び可燃性ガスを不活性雰囲気中に導入することとしてもよい。

また、熱処理温度を５００℃以上かつ１０００℃以下とした理由は、熱処理温度が５００℃未満では、乾燥物に含まれる水溶性有機物の分解・反応が充分に進行しないために、水溶性有機物の炭化が不充分なものとなり、その結果、得られた電極活物質中に高抵抗の有機物分解物が生成することとなるからであり、一方、熱処理温度が１０００℃を超えると、電極活物質中のＬｉが蒸発して電極活物質に組成のズレが生じるだけでなく、電極活物質の粒成長が促進され、その結果、高速充放電レートにおける放電容量が低くなり、充分な充放電レート性能を実現することが困難となるからである。
ここで、乾燥物を熱処理する際の条件、例えば、昇温速度、最高保持温度、保持時間等を適宜調整することにより、得られる電極活物質の粒度分布を制御することが可能である。

以上により、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子の表面を、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層により被覆してなる電極活物質を、容易に作製することができる。
このようにして得られた電極活物質の大きさは、特に限定されないが、１次粒子の平均粒径は０．０１μｍ以上かつ２０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上かつ５μｍ以下である。

ここで、電極活物質の１次粒子の平均粒径を上記の範囲に限定した理由は、１次粒子の平均粒径が０．０１μｍ未満では、１次粒子の表面を薄膜状のＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層で充分に被覆することが困難となり、高速充放電レートにおける放電容量が低くなり、充分な充放電レート性能を実現することが困難となるので、好ましくなく、一方、１次粒子の平均粒径が２０μｍを超えると、１次粒子の内部抵抗が大きくなり、したがって、高速充放電レートにおける放電容量が不充分となるので、好ましくない。

この電極活物質の形状は、特に限定されないが、球状、特に真球状の２次粒子からなる電極材料が生成し易いことから、この電極活物質の形状も、球状、特に真球状のものが好適である。
ここで、電極活物質の形状が球状であることが好ましい理由は、電極活物質と、バインダー樹脂（結着剤）と、溶媒とを混合して正電極用ペーストを調製する際の溶媒量を低減させることができると共に、この正電極用ペーストの集電体への塗工も容易となるからである。

また、電極活物質の形状が球状であれば、電極活物質の表面積が最小となり、電極材料合剤に添加するバインダー樹脂（結着剤）の配合量を最小限にすることができ、得られる正電極の内部抵抗を小さくすることができるので、好ましい。
さらに、電極活物質が最密充填し易いので、単位体積あたりの正極材料の充填量が多くなり、よって、電極密度を高くすることができ、その結果、リチウムイオン電池の高容量化を図ることができるので、好ましい。

以上説明したように、本実施形態の電極活物質の製造方法によれば、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に懸濁してなるスラリーを、乾燥し、次いで、非酸化性雰囲気下にて熱処理するので、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子の表面に、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、膜質良くかつ安価に形成することができる。

オリビン構造を有するＬｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４を用い、必要最低限のＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を効果的に形成することで、より高電圧、高エネルギー密度、高負荷特性で、長期のサイクル安定性や安全性が期待できるリチウムイオン電池用電極材料、電極板及びリチウムイオン電池を作製することができる。

さらに、Ｌｉ源、Ｆｅ源、ＰＯ_４源及び炭素源を含む水性溶液を、均一な溶液相としたので、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子の表面に形成されるＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層の膜質を均一とすることができ、膜厚も薄くすることができる。したがって、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子の表面に、膜質が均一かつ膜厚も薄いＬｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、効果的かつ容易に形成することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

「ＬｉＭｎＰＯ_４の合成」
実施例及び比較例に共通に用いられるＬｉＭｎＰＯ_４を、水熱合成により作製した。
すなわち、Ｌｉ源及びＰ源としてＬｉ_３ＰＯ_４を、Ｍｎ源としてＭｎＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏを用い、これらをモル比でＬｉ：Ｍｎ：Ｐ＝３：１：１となるように純水に溶解して前駆体溶液２００ｍＬを作製した。
次いで、この前駆体溶液を耐圧容器に入れ、１７０℃にて２４時間、水熱合成を行った。この反応後に室温になるまで冷却し、沈殿しているケーキ状の反応生成物を得た。

次いで、この沈殿物を蒸留水にて５回水洗して不純物を洗い流し、その後、乾燥しないように含水率３０％に保持し、ケーキ状のＬｉＭｎＰＯ_４とした。
このケーキ状のＬｉＭｎＰＯ_４から若干量の試料を採取し、７０℃にて２時間真空乾燥させて得られた粉体をＸ線回折法にて同定したところ、単相のＬｉＭｎＰＯ_４が生成していることが確認された。

「電極活物質の作製」
（実施例１）
酢酸リチウム、クエン酸鉄(III)及びリン酸を質量比１：１：１で水に溶解した溶液と、ポリビニルアルコール水溶液を混合し、均一な溶液を得た。
この溶液の濃度は、ＬｉＦｅＰＯ_４換算で５質量％、ポリビニルアルコールで８質量％とした。
次いで、この溶液１００ｇに上記のＬｉＭｎＰＯ_４を１００ｇ添加し、その後、ボールミルを用いて分散処理し、ＬｉＭｎＰＯ_４含有スラリーを得た。
このＬｉＭｎＰＯ_４含有スラリーを加熱乾燥機にて乾燥後、窒素雰囲気化、６００℃にて１時間熱処理を行い、実施例１の電極活物質Ａ１を得た。

（実施例２）
酢酸リチウムを硝酸リチウムに、クエン酸鉄(III)を硝酸鉄(III)に、ポリビニルアルコールをブドウ糖に、それぞれ替えた他は、実施例１に準じて実施例２の電極活物質Ａ２を得た。

（実施例３）
実施例１に準じてＬｉＭｎＰＯ_４含有スラリーを得た。
次いで、このＬｉＭｎＰＯ_４含有スラリーを、スプレードライヤーを用いて、１５０℃の雰囲気中に噴霧して乾燥した。
次いで、この乾燥物を窒素雰囲気化、６００℃にて１時間熱処理を行い、実施例３の電極活物質Ａ３を得た。
この電極活物質Ａ３の粒子形状を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、平均粒子径が１０μｍの球形の二次粒子であることが分かった。
図１に、実施例３の電極活物質Ａ３の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。

（比較例）
水酸化リチウム、酢酸鉄(II)及びリン酸２水素アンモニウムを質量比１：１：１で水に投入し混合して溶液を得た。この溶液には沈殿物が生じていた。
この溶液と、ポリビニルアルコール水溶液を混合し、混合溶液を得た。
この混合溶液の濃度は、ＬｉＦｅＰＯ_４換算で５質量％、ポリビニルアルコールで８質量％とした。
次いで、この混合溶液に上記のＬｉＭｎＰＯ_４を添加する工程以降は、実施例１に準じて、比較例の電極活物質Ｂを得た。
この電極活物質Ｂの粒子形状を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、大きさや形状は様々であり、球形は少ないことが分かった。
図２に、比較例の電極活物質Ｂの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。

「リチウムイオン電池の作製」
実施例１〜３及び比較例各々の正極を作製した。
ここでは、実施例１〜３及び比較例各々にて得られた電極活物質Ａ１〜Ａ３及びＢ、導電助剤としてアセチレンブラック（ＡＢ）、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）を用い、これらを混合し、実施例１〜３及び比較例各々の正極材料ペーストを作製した。
次いで、これらの正極材料ペーストを厚み３０μｍのアルミニウム（Ａｌ）箔上に塗布し、乾燥した。その後、所定の密度となるように圧着し、電極板とした。

次いで、この電極板を成形機を用いて直径１６ｍｍの円板状に打ち抜き、試験用正極を作製した。
一方、負極には市販の天然黒鉛負極板を、セパレーターには多孔質ボリプロピレン膜を、非水電解質としての非水電解質溶液には１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６溶液を、それぞれ用いた。このＬｉＰＦ_６溶液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの比が１：１のものを用いた。
そして、以上の様にして作製された試験用正極、負極およびＬｉＰＦ_６溶液と、２０１６型のコインセルを用いて、実施例１〜３および比較例のリチウムイオン電池を作製した。

「電極活物質の炭素量の定量」
実施例１〜３及び比較例各々にて得られた電極活物質Ａ１〜Ａ３及びＢ各々の炭素量の定量を、炭素分析装置（堀場製作所製）を用いて行った。表１に測定結果を示す。

この測定結果によれば、実施例１〜３及び比較例のいずれの電極活物質も、炭化触媒の効果により炭素質の導電性被覆がなされたが、特に、実施例１〜３の電極活物質では、Ｌｉ源、Ｆｅ源、ＰＯ_４源及び炭素源を含む均一な溶液相である水性溶液にＬｉＭｎＰＯ_４を添加してＬｉＭｎＰＯ_４含有スラリーとしたので、より効果的な触媒の利用が可能となった。よって、同一量の有機物の場合においても、実施例１〜３の電極活物質は、比較例の電極活物質と比べて炭素質被覆量がより多くなっていることが分かった。

「電池特性試験」
実施例１〜３及び比較例各々のリチウムイオン電池の電池特性試験を、環境温度６０℃、充電電流０．１ＣＡで、試験極の電位がＬｉの平衡電位に対して４．５Ｖになるまで充電し、１分間休止の後、０．１ＣＡの放電電流で２．０Ｖになるまで放電させて行った。
実施例１〜３及び比較例各々の放電容量（ｍＡｈ／ｇ）を表１に示す。また、図３に実施例１及び比較例各々の０．１ＣＡの充放電曲線を示す。

以上の結果によれば、実施例１〜３の電極活物質は、比較例の電極活物質と比べて、炭素量が高く、しかも炭素質電子伝導性物質を含む被覆層の厚みが均一であることが分かった。
また、実施例１〜３の電極活物質は、比較例の電極活物質と比べて、放電容量が高く、放電特性に優れていることが分かった。
また、実施例３の電極活物質は、スラリーの乾燥に噴霧乾燥法を用いたので、球状の二次粒子を得ることができ、したがって、電極における充填性が向上し、正極の高密度化が容易である。この噴霧乾燥法は、量産性にも優れており、得られた電極活物質は、高性能で低価格である。

さらに、実施例１〜３において、ＬｉＭｎＰＯ_４の替わりにＬｉＣｏＰＯ_４を用いたもの、Ｍｎの一部をドープしたもの、Ｐの代わりにＳｉを用いたものにおいても、同様の結果が得られた。
また、ＬｉＦｅＰＯ_４の替わりにＬｉＮｉＰＯ_４を用いたものにおいても、同様の結果が得られた。

なお、本実施例では、導電助剤としてアセチレンブラックを用いているが、カーボンブラック、グラファイト、ケッチェンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料を用いてもよい。また、負極に市販の天然黒鉛負極板を用いた電池で評価しているが、当然ながら天然黒鉛、人造黒鉛、コークスのような炭素材料、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２やＬｉ合金等の負極材料を用いてもよい。また、非水電解液としての非水電解質溶液として１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６を含む炭酸エチレンと炭酸ジエチルを１：１（体積比）に混合したものを用いているが、ＬｉＰＦ_６の替わりにＬｉＢＦ_４やＬｉＣｌＯ_４、炭酸エチレンの替わりにプロピレンカーボネートやジエチルカーボネートを用いてもよい。また電解液とセパレーターの替わりに固体電解質を用いてもよい。

本発明の電極活物質の製造方法は、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に懸濁してなるスラリーを、乾燥し、次いで、非酸化性雰囲気下にて熱処理することにより、Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４粒子の表面に、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層を、膜質良くかつ安価に形成することができるものであるから、リチウムイオン電池のさらなる放電特性の向上が可能なのはもちろんのこと、より小型化、軽量化、高容量化が期待される次世代の二次電池に対しても適用することが可能であり、次世代の二次電池の場合、その効果は非常に大きなものである。

Claims

Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４（但し、ＡはＭｎ、Ｃｏの群から選択される少なくとも１種、ＤはＰ、Ｓｉ、Ｓの群から選択される１種または２種以上、０＜ｗ≦４、０＜ｘ≦１．５）からなる粒子の表面を、Ｌｉ_ｙＥ_ｚＰＯ_４（但し、ＥはＦｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１種、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦１．５）及び炭素質電子伝導性物質を含む被覆層により被覆してなる電極活物質の製造方法であって、
前記Ｌｉ_ｗＡ_ｘＤＯ_４からなる粒子を、硝酸リチウム、酢酸リチウムの群から選択される少なくとも１種を含むＬｉ源と、硝酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)の群から選択される少なくとも１種を含むＦｅ源と、Ｈ_３ＰＯ_４を含むＰＯ_４源と、水溶性有機物を含む炭素源とを含む水性溶液中に懸濁してなるスラリーを、乾燥し、次いで、非酸化性雰囲気下にて熱処理することを特徴とする電極活物質の製造方法。
前記Ｌｉ源、前記Ｆｅ源、前記ＰＯ_４源及び前記炭素源を含む前記水性溶液は、均一な溶液相であることを特徴とする請求項１記載の電極活物質の製造方法。