JP4388135B2 - オリビン型構造を有する化合物を含む粒子、その製造方法、非水電解質二次電池用正極、非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
そこで、ニッケル、コバルト等に代えて、資源として豊富であり、かつ安価な鉄を主要な成分として使用するオリビン型構造を有するLiFePO4、LiFeVO4等を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池が提案されている。
特許文献2には、製造ロット間で粒径や粒度分布のばらつきが少なく、高容量の正極活物質として、レーザー回折法で測定した粒度分布が正規分布かつ中央値が5.3μm以下のLiFePO4が提案されている。
特許文献3には、粒径が小さく、結晶性が良い、高容量で充放電特性に優れたLiFePO4等の正極活物質が提案されている。
特許文献2及び3に記載されたLiFePO4の製法としては、特許文献1と同様なリチウム化合物と鉄化合物とリン酸化合物とを耐圧容器中で加熱し、反応させる方法が記載されている。また、これらのLiFePO4等の正極活物質は、粉末X線回折によりオリビン型構造を有することが確認されている。
これらのLiFePO4等の正極活物質は、一次粒子および/または二次粒子が大きく、比表面積が小さいため、導電助剤を用いて導電性を付与したとしても、十分な放電容量、レート特性を得ることができない。
X線回折条件
ターゲット:銅、管電圧:40kV、管電流:300mA、発散スリット:1/2°、散乱スリット:1°、受光スリット:0.15mm、操作モード:FT、スキャンステップ:0.01°、計数時間:2秒。
(充放電試験)
(1)前記オリビン型構造を有する化合物の表面の少なくとも一部に炭素質材料を有する粒子と、導電剤としてアセチレンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを、質量比で80:15:5の割合で混合し、N−メチルピロリドンを用いて混練してスラリー化する。得られた電極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔に塗布し、乾燥後、プレス機で加圧成型し、厚さ60μmとする。続いてφ12mmに打ち抜いて、アルミニウム箔を除いた部分の密度が1.830〜1.920g/cm 3 の正極とする。厚み0.15mmのリチウム箔をφ14mmに打ち抜いて負極とし、厚さ0.025mmのポリプロピレン製多孔質不織布をセパレータとする。この電極群を2032型コインセルに入れ、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:2の体積比とした混合溶液に1mol/lとなるように六フッ化リン酸リチウムを溶解した電解液を注液し、非水電解質二次電池を作製する。
(2)(1)の工程で得られた非水電解質二次電池を、25℃の一定温度下、0.2Cで、正極の電位が負極に対して4.5Vとなるまで定電流充電を行った後、定電圧充電で正極の電流密度が0.010mA/cm 2 以下になるまで充電する。
(3)(2)の充電後、25℃の一定温度下、0.2Cで、正極の電位が負極に対して2.5Vとなるまで放電を行う。
(4)(2)の工程と(3)の工程を繰り返し行う。
また本発明によれば、上記化合物の表面の少なくとも一部に炭素質材料を被覆するにあたり、該被覆を、水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気に制御して行う粒子の製造方法が提供される。
更に本発明によれば、上記粒子を含有する非水電解質二次電池用正極が提供される。
更にまた本発明によれば、上記正極を備えた非水電解質二次電池が提供される。
本発明に用いるオリビン型構造を有する化合物(以下、前記化合物という)は、少なくともリチウム、鉄、リン、酸素を含有する。
前記化合物は、所望の特性を得るため、1、2族元素、12〜17族元素をさらに含むことができる。資源面では、豊富なFeを用いることが好ましく、LiFePO4が代表例である。
上記LiFePO4において、Feの一部を他元素で置換することができる。例えば、Mnで置換するとサイクル特性が改善され、Al、Mg、Ca、Niで置換すると容量が大きくなり、Biで置換するとサイクル特性が改善され、かつ容量が大きくなり、Ti、Zr、Nbで置換すると電子伝導性が高くなり、サイクル特性、レート特性が改善される。
X線回折測定の条件は、ターゲット:銅、管電圧:40kV、管電流:300mA、発散スリット:1/2°、散乱スリット:1°、受光スリット:0.15mm、操作モード:FT、スキャンステップ:0.01°、計数時間:2秒である。
評価に用いた3つのピークは、2θが23.00°〜23.70°に現れる最強の回折ピーク、2θが21.40°〜22.90°に現れる最強の回折ピーク、2θが17.70°〜19.70°に現れる最強の回折ピークである。それぞれの回折強度を、I1、I2及びI3とした場合、前記化合物は、I1/I2が0.050以下、かつI3/I2が0.001以下である。好ましくはI1/I2が0.010以下である。
例えば、LiFePO4の場合、2θが23.00°〜23.70°に現れる最強の回折ピークは、Li3PO4の(101)面等のLiFePO4以外のピークである。2θが21.40°〜22.90°に現れる最強の回折ピークは、LiFePO4の(210)面のピークである。2θが17.70°〜19.70°に現れる最強の回折ピークは、FePO4の(200)面のピークである。したがって、I1/I2が0.050以下、かつI3/I2が0.001以下であるということは、LiFePO4以外の不純物相がほとんど存在しないことを意味する。
一次粒子を小さくすると充放電反応時のLiの拡散距離が短くなり、さらには、比表面積が大きくなることからLiの反応面積が大きくなり、レート特性が改善される。従って、前記化合物は、一次粒子が小さく、比表面積が大きい方が好ましいが、全体にわたり優れた結晶性を有するため、比表面積が4.0m2/g以上であれば、高容量、高出力で、優れたレート特性が得られる。異相を出現させずに、このような優れた結晶性を有する化合物を得るには、比表面積を15.0m2/g以下とすることが、工業生産上好ましい。
まず、前記化合物と炭素の質量比が98.5:1.5となるように、該化合物を10質量%のグルコース水溶液に分散し、攪拌しながら乾燥し、次いで、5体積%水素−アルゴンの混合ガス雰囲気中800℃で1時間還元処理して粒子を得る。
(1)得られた粒子と、導電剤としてアセチレンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを、質量比で80:15:5の割合で混合し、N−メチルピロリドンを用いて混練してスラリー化する。得られた電極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔に塗布し、乾燥後、プレス機で加圧成型し、厚さ60μmとする。続いてφ12mmに打ち抜いて、アルミニウム箔を除いた部分の密度が1.830〜1.920g/cm3の正極とする。厚み0.15mmのリチウム箔をφ14mmに打ち抜いて負極とし、厚さ0.025mmのポリプロピレン製多孔質不織布をセパレータとする。この電極群を2032型コインセルに入れ、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:2の体積比とした混合溶液に1mol/lとなるように六フッ化リン酸リチウムを溶解した電解液を注液し、非水電解質二次電池を作製する。
(2)(1)の工程で得られる非水電解質二次電池を、25℃の一定温度下、0.2Cで、正極の電位が負極に対して4.5Vとなるまで定電流充電を行った後、定電圧充電で正極の電流密度が0.010mA/cm2以下になるまで充電する。
(3)(2)の充電後、25℃の一定温度下、0.2Cで、正極の電位が負極に対して2.5Vとなるまで放電を行う。
(4)(2)の工程と(3)の工程を繰り返し行う。
(1)の工程は、上記電子伝導性を付与した粒子を正極活物質として使用して正極を、金属リチウムを使用して負極を作製し、2032型コインセルを作製している工程である。
(2)、(3)及び(4)の工程は、(1)の工程で得られたコインセルを用いた充放電試験を行う工程であり、その条件を設定している。
上記理論容量とは、本発明の粒子が含有するLiのすべてが充放電反応に関与する時の容量である。
この結果より、本発明のオリビン型構造を有する化合物を含む粒子を用いることによって、上述の大きな充放電容量を示すのは、該オリビン型構造を有する化合物が、全体にわたり優れた結晶性を有するため、この化合物の表層近くに存在するLiも内部に存在するLiも、スムーズにインターカレーション、デインターカレーションを行うことができるためと考えられる。
被覆方法としては、炭素を含有する物質、例えば、アルギン酸、グルコース等の糖類を溶解した溶液に前記化合物を浸漬し、攪拌しながら乾燥した後、雰囲気制御した加熱炉中で還元する方法が挙げられる。このような方法は、炭素質材料を前記化合物の表面に均一に被覆できることから好ましい。
上記炭素質材料自体は、放電容量には寄与しないことから、被覆量を増やしすぎると炭素質材料を被覆した粒子の単位重量あるいは単位体積当りの放電容量が減少する。このため、炭素質材料の量は、十分な充放電反応が得られる範囲でなるべく少ない方が好ましい。
上記ボールミル等で混合して被覆する方法の場合、少ない量で導電性を高くすることができることから、炭素質材料はなるべく微粒子であることが好ましく、被覆も均一に行うことが好ましい。
鉄化合物としては、例えば、フッ化鉄、塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄、硫酸鉄、リン酸鉄、シュウ酸鉄、酢酸鉄の使用が好ましい。
リン化合物としては、例えば、オルトリン酸、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸リチウム、リン酸鉄が挙げられる。
熱処理は、不活性雰囲気下、80〜300℃で3〜48時間の条件で行うことができる。熱処理後冷却し、生成物をろ過し、洗浄した後、乾燥することにより前記化合物を得ることができる。
熱処理の好ましい方法としては、原料化合物と溶媒とを不活性雰囲気とした耐圧容器に封入し、1気圧以上の圧力下で熱処理する方法が挙げられる。この場合、熱処理条件は、通常100〜250℃で、5〜20時間、特に120〜180℃で7〜15時間の条件が好ましい。
それぞれの化合物の配合割合は、最終的に目的とするオリビン型構造を有する化合物であるLiFePO4が得られるように調整できる。例えば、2価の鉄化合物とリン化合物とを、鉄とリンのモル比が、略1:1となるように混合し、リチウム量は適宜調整する。具体的には、水を溶媒としてLi3PO4と2価の鉄化合物の溶液を、鉄とリンのモル比が略1:1となるように混合することができる。
この際、溶液中におけるLi3PO4は固体、2価の鉄化合物はイオンの状態で存在するようにpH領域を制御することが、前記化合物をより効率よく得るために好ましい。
本発明の正極は、例えば、本発明の粒子、導電剤及び結着剤等を有機溶媒中で混練、スラリー化し、電極板に塗布、乾燥後、ローラーで圧延、所定の寸法に裁断する方法により得られる。正極は、通常50〜100μmの厚さに調整することができる。
導電剤としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の炭素質材が挙げられる。
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリルブタジエン共重合体、カルボキシメチルセルロースが挙げられる。
有機溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、エチレンオキシド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドが挙げられる。
電極板としては、例えば、Al、Cu、ステンレス等の金属箔が挙げられ、特に、厚さが10〜30μmのAlの金属箔が好ましい。
本発明の電池は、主に正極、負極、有機溶媒、電解質、セパレータで構成される。有機溶媒と電解質の替わりに固体電解質を用いることもできる。
負極、有機電解液、電解質及びセパレータは公知のものが使用できる。
負極は、負極活物質として、例えば、リチウム金属、リチウム合金、ソフトカーボンやハードカーボンといったアモルファス系炭素人造黒鉛、天然黒鉛といった炭素質材を用いた負極が挙げられ、必要に応じ、正極と同様な結着剤、電極板等が使用される。
電解質としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4が挙げられる。
固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド系等の高分子電解質、Li2S−SiS2、Li2S−P2S5、Li2S−B2S3等の硫化物系電解質が挙げられる。また、高分子に非水電解質溶液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔質高分子膜、セラミックス塗布多孔質シートが挙げられる。
実施例1
水酸化リチウム一水和物を蒸留水に溶解した4.5mol/dm3の溶液1と、リン酸を蒸留水で希釈した1.5mol/dm3の溶液2と、硫酸第一鉄七水和物とアスコルビン酸とを蒸留水で溶解した、硫酸第一鉄1.5mol/dm3及びアスコルビン酸0.005mol/dm3の溶液3をそれぞれ調製した。溶液1〜3を攪拌しながら混合し、pHを5.7に調整して前駆体スラリーを調製した。
得られた前駆体スラリーを加圧容器に移し、アルゴンガス雰囲気下、170℃、15時間攪拌しながら熱処理を行った後、降温した。反応生成物を蒸留水で洗浄後、ろ過し、真空乾燥してLiFePO4を得た。得られたLiFePO4について、下記条件A及び条件Bで粉末X線回折を測定した。得られたX線回折パターンをそれぞれ図2及び図3に示す。図3は2θが15°〜29°を拡大したX線回折パターンである。条件Bで測定した2θが23.00°〜23.70°に現れる最強の回折ピークの強度I1、2θが21.40°〜22.90°に現れる最強の回折ピークの強度I2、2θが17.70°〜19.70°に現れる最強の回折ピークの強度I3を求めた。この場合のピーク強度比I1/I2は0.0079、I3/I2は0.001以下であった。
また、BET法により比表面積を測定した。その結果、比表面積は6.45m2/gであった。
X線回折装置:RINT1100 株式会社リガク社製、ターゲット:銅、管電圧:40kV、管電流:40mA、発散スリット:1°、散乱スリット:1°、受光スリット:0.15mm、操作モード:連続、スキャンステップ:0.01°、スキャンスピード:5°/分。
(条件B)
X線回折装置:RINT2500 株式会社リガク社製、ターゲット:銅、管電圧:40kV、管電流:300mA、発散スリット:1/2°、散乱スリット:1°、受光スリット:0.15mm、操作モード:FT、スキャンステップ:0.01°、計数時間:2秒。
得られた炭素質材料被覆後の粒子と、導電剤としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、質量比で80:15:5の割合で混合し、N−メチルピロリドンを用いて混練し、電極スラリーを調製した。
上記正極、負極及びセパレータからなる電極群を、2032型コインセルに入れ、更に、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:2の体積比とした混合溶液に、1mol/lとなるように六フッ化リン酸リチウムを溶解した電解液を注液し、非水電解質二次電池を作製した。
実施例1において調製した溶液1〜3を混合した際のpHを4.3にした以外は全て実施例1と同様に表面を炭素質材料で被覆したLiFePO4 粒子を得た。実施例1と同様にして、炭素質材料被覆前のLiFePO4について比表面積、前記条件Bで粉末X線回折を、炭素質材料被覆後の粒子について充放電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
実施例1において調製した溶液1〜3を混合した際のpHを4.7にした以外は全て実施例1と同様に表面を炭素質材料で被覆したLiFePO4 粒子を得た。実施例1と同様にして、炭素質材料被覆前のLiFePO4について比表面積、前記条件Bで粉末X線回折を、炭素質材料被覆後の粒子について充放電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
LiFePO4は固相合成法により作製した。合成原料としてはリン酸水素二アンモニウム、シュウ酸鉄(II)二水和物、水酸化リチウム一水和物をモル比で1:1:1の割合で配合し、φ10mmのジルコニアボールを使用し、ボールミルでアルゴンガス雰囲気中、24時間、粉砕、混合した。次いで、得られた混合物をアルゴンガス気流中、650℃で24時間焼成しLiFePO4を得た。
実施例1と同様にして、表面を炭素質材料で被覆した。実施例1と同様にして、炭素質材料被覆前のLiFePO4について比表面積、前記条件Bで粉末X線回折を、炭素質材料被覆後のLiFePO4 粒子について充放電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
図3に2θが15°〜29°を拡大したX線回折パターンを示す。
実施例1において調製した溶液1〜3を混合した際のpHを3.4にした以外は全て実施例1と同様に表面を炭素質材料で被覆したLiFePO4 粒子を得た。実施例1と同様にして、炭素質材料被覆前のLiFePO4について比表面積、前記条件Bで粉末X線回折を、炭素質材料被覆後の粒子について充放電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
実施例1において調製した溶液1〜3を混合した際のpHを8.2にした以外は全て実施例1と同様に表面を炭素質材料で被覆したLiFePO4 粒子を得た。実施例1と同様にして、炭素質材料被覆前のLiFePO4について、比表面積、条件A及びBで粉末X線回折を、炭素質材料被覆後の粒子について充放電特性を測定した。条件Aにて得られた粉末X線回折パターンを図4に、その他の結果を表1に示す。
Claims (4)
- 少なくともリチウム、鉄、リン及び酸素を含み、オリビン型構造を有し、下記条件でX線回折を測定した、2θが23.00°〜23.70°に現れる最強の回折ピークの強度をI1、2θが21.40°〜22.90°に現れる最強の回折ピークの強度をI2、2θが17.70°〜19.70°に現れる最強の回折ピークの強度をI3とした場合、I1/I2が0.050以下、I3/I2が0.001以下であり、比表面積が4m2/g以上であり、かつ下記の充放電試験において、10回目の(2)の工程の充電時に正極の電位が負極に対して4.0Vに到達した時に理論容量の91.0%以上充電されることを特徴とするオリビン型構造を有する化合物の表面の少なくとも一部に炭素質材料を有する粒子。
X線回折条件
ターゲット:銅、管電圧:40kV、管電流:300mA、発散スリット:1/2°、散乱スリット:1°、受光スリット:0.15mm、操作モード:FT、スキャンステップ:0.01°、計数時間:2秒。
(充放電試験)
(1)前記オリビン型構造を有する化合物の表面の少なくとも一部に炭素質材料を有する粒子と、導電剤としてアセチレンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを、質量比で80:15:5の割合で混合し、N−メチルピロリドンを用いて混練してスラリー化する。得られた電極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔に塗布し、乾燥後、プレス機で加圧成型し、厚さ60μmとする。続いてφ12mmに打ち抜いて、アルミニウム箔を除いた部分の密度が1.830〜1.920g/cm 3 の正極とする。厚み0.15mmのリチウム箔をφ14mmに打ち抜いて負極とし、厚さ0.025mmのポリプロピレン製多孔質不織布をセパレータとする。この電極群を2032型コインセルに入れ、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:2の体積比とした混合溶液に1mol/lとなるように六フッ化リン酸リチウムを溶解した電解液を注液し、非水電解質二次電池を作製する。
(2)(1)の工程で得られた非水電解質二次電池を、25℃の一定温度下、0.2Cで、正極の電位が負極に対して4.5Vとなるまで定電流充電を行った後、定電圧充電で正極の電流密度が0.010mA/cm 2 以下になるまで充電する。
(3)(2)の充電後、25℃の一定温度下、0.2Cで、正極の電位が負極に対して2.5Vとなるまで放電を行う。
(4)(2)の工程と(3)の工程を繰り返し行う。 - 少なくともリチウム、鉄、リン及び酸素を含み、オリビン型構造を有し、下記条件でX線回折を測定した、2θが23.00°〜23.70°に現れる最強の回折ピークの強度をI1、2θが21.40°〜22.90°に現れる最強の回折ピークの強度をI2、2θが17.70°〜19.70°に現れる最強の回折ピークの強度をI3とした場合、I1/I2が0.050以下、I3/I2が0.001以下であり、かつ比表面積が4m2/g以上であるオリビン型構造を有する化合物の表面の少なくとも一部に炭素質材料を被覆するにあたり、該被覆を、水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気に制御して行うことを特徴とする請求項1記載の粒子の製造方法。
- 請求項1記載の粒子を含有する非水電解質二次電池用正極。
- 請求項3記載の非水電解質二次電池用正極を備えた非水電解質二次電池。
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