JP5736965B2 - リチウム二次電池用正極活物質とその製造方法、リチウム二次電池用正極、及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
結晶化温度以上かつ結晶化温度付近で仮焼成を行うことにより、微結晶を析出させることができる。この時、微結晶の大きさは原料の粒子径よりは小さくならないため、正極活物質の原料の粒子径は小さいほど望ましい。また、原料を均一に混合していない場合、仮焼成時に析出する結晶が粗大化したり、異相が発生したりするため、より均一に混合されていることが望ましい。
仮焼成温度は、結晶を析出させるために、結晶化温度以上であることが必要である。結晶化温度より低いと、仮焼成体は、結晶が析出しないためにアモルファス状となり、粉砕と本焼成をしても粒子が粗大になる。また、仮焼成温度を上げていくことにより合成後の粒子径を制御可能であるが、仮焼成温度が高すぎると粒子の粗大化を招く。
仮焼成によって生じた微結晶(仮焼成体)は結晶性が低いので、結晶性向上のためには、より高温での焼成が必要である。しかし、単に高温で本焼成した場合、微結晶同士が結合し、成長してしまう。このため、発明者らは、仮焼成で生じた微結晶と有機物またはアセチレンブラックなどの微細な炭素を混合し、これに機械的圧力を加えることにより、微結晶の周囲に有機物や炭素を密着させて、微結晶を有機物や炭素で被覆することにより、結晶の成長を抑える技術を開発した。
本焼成では、有機物を炭化して導電性を向上させると共に、活物質粒子の結晶性を向上させる。金属元素の酸化を防ぐと共に炭素被覆を行うため、本焼成は、不活性雰囲気または還元雰囲気で行う。有機物を炭化して導電性を向上させるためには、本焼成温度は600℃以上が望ましい。また、本焼成は、活物質の熱分解が起きる温度以下で行うことが望ましい。望ましい本焼成温度の範囲は、オリビンにおいては、600℃以上850℃以下である。600℃以上ならば、炭素源を炭化して導電性を付与することができる。850℃以下ならば、活物質が分解を起こさない。さらに望ましくは、700℃以上750℃以下である。この温度範囲では、炭素の導電性を十分に向上できると共に、炭素とオリビンの反応による不純物の生成を抑えることができる。
本発明によるリチウム二次電池用正極は、正極活物質、結着剤、及び集電体で構成され、正極活物質と結着剤とを含む正極合材が、集電体上に形成されている。また、電子伝導性を補うために、必要に応じて導電助材を正極合材に加えることもできる。
本発明による正極活物質には、上述した物性値を有する活物質、または上述した製造方法(合成法)を用いて合成される活物質を使用する。
結着剤には、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)やポリアクリロニトリルなど、一般の結着剤を好適に用いることができる。十分な結着性を有するならば、結着剤の種類は制限されない。
正極の構成として、上記のような密着性に優れた結着剤を用いると同時に、導電性付与のために導電助材を混合すると、強固な導電ネットワークが形成される。このため、正極の導電性が改善され、容量やレート特性が改善して望ましい。以下に、本発明による正極に用いる導電助材及びその添加量について示す。
集電体としては、アルミ箔などの導電性を有する支持体を利用できる。
本発明によるリチウム二次電池の負極は、負極活物質、導電助材、結着剤、及び集電体で構成される。
セパレータには、従来公知の材料が使用でき、特に制限はない。ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン系多孔質膜や、ガラス繊維シートなどを用いることができる。
電解質として、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2などのリチウム塩を単独でまたは混合して用いることができる。リチウム塩を溶解する溶媒としては、鎖状カーボネート、環状カーボネート、環状エステル、ニトリル化合物などが挙げられる。具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ―ブチロラクトン、n−メチルピロリジン、アセトニトリルなどである。
金属源として、クエン酸鉄(FeC6H5O7・nH2O)と酢酸マンガン四水和物(Mn(CH3COO)2・4H2O)を用い、FeとMnが2:8となるように秤量し、これを純水中に溶解した。これにキレート剤としてクエン酸一水和物(C6H8O7・H2O)を添加した。キレート剤の量は、クエン酸イオンが金属イオンの合計量に対し80mol%添加となるよう、他のクエン酸塩の添加量に応じて調整した。クエン酸イオンが金属イオン周囲に配位することにより、沈殿の生成を抑え、均一に溶解した原料溶液を得ることができる。
仮焼成温度を600℃とした以外は、実施例1と同様に合成し、LiFe0.2Mn0.8PO4を得た。サンプルの粒子径dは154nm、結晶子径Dは125nm、被覆炭素量は2.6wt%だった。
仮焼成温度を700℃とした以外は、実施例1と同様に合成し、LiFe0.2Mn0.8PO4を得た。サンプルの粒子径dは350nm、結晶子径Dは290nm、被覆炭素量は2.7wt%だった。
仮焼成雰囲気をArとし、仮焼成後にスクロースを添加しない以外は、実施例1と同様に合成し、LiFe0.2Mn0.8PO4を得た。この場合は、スクロースを添加していないがクエン酸が消失しないため、クエン酸が炭素源となる。サンプルの粒子径dは35nm、結晶子径Dは22nm、被覆炭素量は6.3wt%だった。
仮焼成雰囲気をArとし、仮焼成後にスクロースを添加しない以外は、実施例3と同様に合成し、LiFe0.6Mn0.4PO4を得た。この場合は、スクロースを添加していないがクエン酸が消失しないため、クエン酸が炭素源となる。サンプルの粒子径dは37nm、結晶子径Dは21nm、被覆炭素量は6.2wt%だった。
仮焼成雰囲気をArとし、仮焼成後にスクロースを添加しない以外は、実施例4と同様に合成し、LiFe0.4Mn0.6PO4を得た。この場合は、スクロースを添加していないがクエン酸が消失しないため、クエン酸が炭素源となる。サンプルの粒子径dは40nm、結晶子径Dは22nm、被覆炭素量は6.5wt%だった。
仮焼成雰囲気をArとし、仮焼成後にスクロースを添加しない以外は、実施例5と同様に合成し、LiFePO4を得た。この場合は、スクロースを添加していないがクエン酸が消失しないため、クエン酸が炭素源となる。サンプルの粒子径dは41nm、結晶子径Dは25nm、被覆炭素量は6.4wt%だった。
スクロースの添加量を45wt%にした以外は、実施例1と同様に合成し、LiFe0.2Mn0.8PO4を得た。サンプルの粒子径dは33nm、結晶子径Dは25nm、被覆炭素量は17wt%だった。
スクロースの添加量を1wt%にした以外は、実施例1と同様に合成し、LiFe0.2Mn0.8PO4を得た。サンプルの粒子径dは50nm、結晶子径Dは41nm、被覆炭素量は0.3wt%だった。
仮焼成をせず、本焼成後にボールミルによる粉砕を2時間行い、スクロースを添加しなかった以外は、実施例1と同様に合成し、LiFe0.2Mn0.8PO4を得た。ボールミル工程では、分散媒としてエタノールを用いた。サンプルの粒子径dは650nm、結晶子径Dは415nm、炭素被覆量は6.2wt%だった。
仮焼成後にボールミルによる粉砕をしなかった以外は、比較例2と同様に合成し、LiFe0.2Mn0.8PO4を得た。サンプルの粒子径dは5μmを超え、形状は粗大な網目構造となって球状から大きく離れていた。XRDによって求めた結晶子径Dは1000nm以上となった。炭素被覆量は6.8wt%だった。
実施例1〜8と参考例と比較例1〜9で合成したオリビンを用いて電極(正極)を作成し、電極の特性、すなわち容量とレート特性を測定した。全ての電極は同じ方法で作成した。以下に電極の作成方法を説明する。
Claims (5)
- 化学式LiMPO4(Mは、Fe、Mn、Co、及びNiのうち少なくとも1つを含む)で表されるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法であって、
前記正極活物質の原料を混合する工程と、
混合した前記原料を仮焼成する工程と、
前記仮焼成する工程により得た仮焼成体に、前記正極活物質を被覆する炭素の量が1wt%以上10wt%以下となるように炭素源を混合する工程と、
炭素源が混合された前記仮焼成体を本焼成する工程とを有し、
前記仮焼成する工程は、酸化雰囲気で行われ、かつ仮焼成温度が420℃以上500℃以下で行われ、
前記本焼成する工程は、不活性雰囲気または還元雰囲気で行われ、かつ本焼成温度が600℃以上850℃以下で行われる、
ことを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 - 請求項1記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法において、
前記原料を混合する工程では、前記原料を溶液状態にしたものを乾燥させることにより混合するリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 - 請求項1記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法において、
前記原料は、金属源として、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩、炭酸塩、及び酒石酸塩のうち少なくとも1つを用いるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 - 請求項1記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法において、
前記原料を混合する工程では、前記原料に有機酸を加えるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 - 請求項4記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法において、
前記有機酸は、クエン酸であるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
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