JP5515343B2 - 活物質の製造方法、活物質、電極及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
以下では、本発明の一実施形態に係る活物質の製造方法について説明する。本実施形態では、活物質がβ−LiVOPO4の粒子群のみから構成される場合について説明する。すなわち、本実施形態では、活物質とβ−LiVOPO4の粒子群とは同義である。なお、本発明の他の実施形態では、活物質は粒子群に加えて更に導電剤等を含有してもよい。
水熱合成工程では、まず、内部を加熱、加圧する機能を有する反応容器(例えば、オートクレーブ等)内に、上述したリチウム源、リン酸源、バナジウム源、及び水を投入して、これらが分散した混合物(水溶液)を調製する。なお、混合物を調製する際は、例えば、最初に、リン酸源、バナジウム源及び水を混合したものを還流した後、これにリチウム源を加えてもよい。この還流により、リン酸源及びバナジウム源の複合体を形成することができる。
焼成工程では、水熱合成工程において加圧下で加熱した後の混合物(β−LiVOPO4粒子群の前駆体)を焼成する。これにより、β−LiVOPO4粒子群が得られる。
次に、本発明の一実施形態に係る活物質について説明する。本実施形態に係る活物質は、上述した本実施形態に係る活物質の製造方法によって製造することができる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、互いに対向する板状の負極及び板状の正極と、負極と正極との間に隣接して配置される板状のセパレータと、を備える発電要素と、リチウムイオンを含む電解質溶液と、これらを密閉した状態で収容するケースと、負極に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される負極リードと、正極に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される正極リードとを備える。
<水熱合成工程>
23.13g(0.2mol)のH3PO4水溶液(分子量:98.00、ナカライテスク社製、特級、純度:85重量%)、503gのH2O(ナカライテスク社製、HPLC(高速液体クロマトグラフィー)用)、18.37g(0.1mol)のV2O5(分子量:181.88、ナカライテスク社製、特級、純度:99重量%)、及び7.40g(0.1mol)のLi2CO3(分子量:73.89、ナカライテスク社製、特級、純度:99重量%)を、この順序で1.5Lオートクレーブ容器に導入して、pHが3.5である混合物を調製した。これらの原料の量は、化学量論的に約30g(0.2mol)のLiVOPO4(分子量:168.85)を生成させる量に相当する。
5.00gの前駆体をアルミナ坩堝に入れて、600℃で4時間焼成した後、急冷させた。なお、粉体の焼成は空気雰囲気中で行った。また、焼成工程では、焼成温度を45分かけて室温から450℃まで昇温させた。この焼成工程により、くすんだ緑色の粒子群(参考例1の活物質)を4.27g得た。
粉末X線回折(XRD)に基づくリートベルト解析の結果から、参考例1の活物質は、LiVOPO4の粒子群を備え、粒子群中に存在するLiVOPO4のα型結晶相(以下、場合により「α相」と記す。)のモル数αと粒子群中に存在するLiVOPO4のβ型結晶相(以下、場合により「β相」と記す。)のモル数βとの比率α/βが、0.01であることが確認された。
参考例1の活物質の粒度分布をレーザー散乱法(動的光散乱法)で測定した。粒度分布の測定には、Malvern社製の装置を用いた。参考例1の活物質の光強度基準の粒度分布Cを図1Aに示す。参考例1の活物質の体積基準の粒度分布Cを図1Bに示す。参考例1の活物質の粒子数基準の粒度分布Cを図1Cに示す。
参考例1の活物質と、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)とアセチレンブラックを混合したものを、溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。なお、スラリーにおいて活物質とアセチレンブラックとPVDFとの重量比が84:8:8となるように、スラリーを調製した。このスラリーを集電体であるアルミニウム箔上に塗布し、乾燥させた後、圧延を行い、参考例1の活物質を含む活物質層が形成された電極(正極)を得た。
水熱合成反応前の混合物に、Li2CO3の代わりとして、20.7gのLiNO3を含有させたこと以外は、参考例1と同様の方法で、参考例2の活物質及び評価用セルを得た。
水熱合成反応前の混合物に、Li2CO3の代わりとして、7.2gのLiOHを含有させたこと以外は、参考例1と同様の方法で、実施例3の活物質及び評価用セルを得た。
実施例4では、水熱合成反応前の混合物に、H3PO4の代わりとして(NH4)H2PO4を含有させ、Li2CO3の代わりとして20.7gのLiNO3を含有させた。また、実施例4では、水熱合成反応前の混合物に塩酸を加えて混合物のpHを調整した。以上の事項以外は、参考例1と同様の方法で、実施例4の活物質及び評価用セルを得た。
参考例5では、水熱合成反応前の混合物に、H3PO4の代わりとして(NH4)H2PO4を含有させ、Li2CO3の代わりとして20.7gのLiNO3を含有させた。また、参考例5では、水熱合成反応前の混合物に塩酸を加えて混合物のpHを調整した。以上の事項以外は、参考例1と同様の方法で、参考例5の活物質及び評価用セルを得た。
参考例6では、水熱合成反応前の混合物に、H3PO4の代わりとして(NH4)H2PO4を含有させ、Li2CO3の代わりとして20.7gのLiNO3を含有させた。また、参考例6では、水熱合成反応前の混合物に塩酸を加えて混合物のpHを調整した。以上の事項以外は、参考例1と同様の方法で、参考例6の活物質及び評価用セルを得た。
LiNO3、V2O5及びH3PO4を、モル比で2:1:2となるように水に溶解させて、これらを80℃で攪拌し、水溶液を調製した。水溶液を蒸発乾固し、更に110℃下で一晩乾燥させた。乾燥後に得られた固形物を粉砕し、空気中において600℃で14時間焼成することにより、比較例1の活物質を得た。また、比較例1の活物質を用いたこと以外は、参考例1の同様の方法で、比較例1の評価用セルを得た。
水熱合成反応前の混合物に、Li2CO3の代わりとして、20.7gのLiNO3を含有させ、更に濃度が28重量%であるアンモニア水を49.0g添加したこと以外は、参考例1と同様の方法で、比較例2の活物質及び評価用セルを得た。
水熱合成反応前の混合物に、Li2CO3の代わりとして、20.7gのLiNO3を含有させ、H3PO4水溶液の代わりとして、39.6gのNH4H2(PO4)を含有させたこと以外は、参考例1と同様の方法で、比較例3の活物質及び評価用セルを得た。
水熱合成反応前の混合物に溶媒として濃塩酸を添加したこと以外は参考例2と同様にして、pHが0である混合物を得た。この混合物を用いて、参考例1と同様の方法で活物質の作製を試みた。しかし、不純物が多量に生成したことが原因で、比較例4の活物質を作製することはできなかった。
Claims (7)
- リチウム源とリン酸源とバナジウム源と水とを含み、pHが7以下である混合物を、加
圧下で加熱する水熱合成工程と、
前記水熱合成工程において加圧下で加熱した後の前記混合物を焼成する焼成工程と、
を備え、
前記水熱合成工程において、加熱前の前記混合物に、硝酸、塩酸又は硫酸の少なくとも
いずれかを添加する、活物質の製造方法。 - 前記リチウム源が、LiNO3、Li2CO3、LiOH、LiCl、Li2SO4及
びCH3COOLiからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記リン酸源が、H3PO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4及びLi3P
O4からなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記バナジウム源が、V2O5及びNH4VO3からなる群より選ばれる少なくとも一
種である、請求項1に記載の活物質の製造方法。 - 前記リチウム源がLi2CO3であり、
前記リン酸源がH3PO4であり、
前記バナジウム源がV2O5である、請求項1又は2に記載の活物質の製造方法。 - LiVOPO4のβ型結晶構造を有し、体積平均一次粒径が121〜500nmである粒子群であり、前記粒子群の比表面積が1〜10m 2 /gである、活物質。
- 集電体と、
請求項4に記載の活物質を含有し、前記集電体上に設けられた活物質層と、を備
える、電極。 - 前記活物質層における前記粒子群の含有率が80〜97質量%である、請求項5に記載
の電極。 - 請求項5又は6に記載の電極を備える、リチウムイオン二次電池。
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