JP6201895B2 - ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法 - Google Patents
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Description
1.ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物
2.ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法
2−1.核生成工程
2−2.核生成工程から粒子成長工程への移行
2−3.粒子成長工程
3.洗浄・乾燥
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物は、一般式:NixCoyMnzMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.05≦x≦0.3、0.1≦y≦0.4、0.6≦z≦0.8、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)で表され、複数の板状一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子であり、二次粒子は、平均粒径が3〜10μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.55以下の特性を有する。ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物は粒子状である。
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子は、その平均粒径が、3〜10μmである。平均粒径を3〜10μmとすることで、例えば、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を原料として得られる正極活物質を所定の平均粒径(3〜10μm)に調整することができる。これにより、正極の充填密度が高く、電池容量及び出力特性を向上させることができる。このように、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子の平均粒径は、得られる正極活物質の粒径と相関するため、この正極活物質を正極材料に用いた電池の特性に影響するものである。
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子は、その粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が、0.55以下である。
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法は、図1に示すように、晶析反応によってニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得る方法であって、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子の核生成を行う(A)核生成工程と、核生成工程において生成された核を成長させる(B)粒子成長工程とから構成されている。ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法では、得られたニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を洗浄・乾燥することによってニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を得ることができる。
まず、核生成性工程について、図1に基づいて説明する。核生成工程では、まず、所定のpHとなるように調整されたアルカリ水溶液とアンモニア水溶液を含む反応前水溶液を反応槽内に用意する。一方で、ニッケルを含有する金属化合物、コバルトを含有する金属化合物及びマンガンを含有する金属化合物を所定の割合で水に溶解させ、混合水溶液を作製する。このとき、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子の内部に添加元素を均一に分散させる場合には、混合水溶液に、添加元素を添加する。核生成工程では、この混合水溶液を反応前水溶液に添加することにより、核生成用水溶液が形成され核生成反応が行われる。以下、各条件について詳細に説明する。
反応槽には、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液、アンモニウムイオン供給体を含むアンモニア水溶液、及び水を供給して混合して反応前水溶液を形成する。この反応水溶液のpH値は、液温25℃基準で11.0〜14.0、好ましくは11.5〜13.0の範囲とする。pH値は、アルカリ水溶液の供給量によって調整する。また、反応前水溶液中のアンモニウムイオンの濃度を、12〜30g/L、好ましくは15〜25g/Lとなるように調整する。アンモニウムイオンの濃度は、アンモニア水溶液の供給量によって調整する。反応前水溶液の温度は、好ましくは30℃以上、より好ましくは40〜60℃となるように調節する。反応槽内の水溶液のpH値、アンモニウムイオンの濃度については、それぞれ一般的なpH計、イオンメータによって測定可能である。
使用する金属化合物は、水溶性の化合物を用いることが好ましく、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩などが挙げられる。金属化合物は、取扱いの利便性、正極活物質への残存による影響、廃棄に伴う環境への影響を考慮すると、硫酸塩、例えば、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルトを用いることが好ましい。さらに、塩酸塩がより好ましく、例えば、塩化ニッケル、塩化マンガン、塩化コバルトなどの金属塩化物を用いることで、金属塩化物は、水への溶解度が高く液の安定性に優れていることから、結晶化の時に厚さ方向に成長しやすくなり、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の一次結晶を厚くすることができるため、タップ密度をより高くすることができる。ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法では、得られるニッケルコバルトマンガン複合水酸化物における各金属の組成比は、混合水溶液における各金属の組成比と同様となる。
添加元素(Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)は、水溶性の化合物を用いることが好ましく、例えば、硫酸チタン、ペルオキソチタン酸アンモニウム、シュウ酸チタンカリウム、硫酸バナジウム、バナジン酸アンモニウム、硫酸クロム、クロム酸カリウム、硫酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、シュウ酸ニオブ、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸アンモニウムなどを用いることができる。
混合水溶液の濃度は、金属化合物の合計で1〜2.6mol/L、好ましくは1.5〜2.2mol/Lとなるようにする。
核生成工程では、反応槽内の反応前水溶液に混合水溶液を添加することにより、反応前水溶液と混合水溶液とが混合した核生成用水溶液が形成される。そして、核生成工程では、核生成用水溶液中において、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子の微細な核が生成されることになる。このとき、核生成用水溶液のpH値は11.0〜14.0の範囲にあるので、生成した核はほとんど成長することなく、核の生成が優先的に生じる。
核生成工程において生成する核の量は、特に限定されるものではないが、粒度分布の良好なニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るためには、全体量、つまり、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るために供給する全金属塩の0.1%から2%とすることが好ましく、1.5%以下とすることがより好ましい。
核生成工程から粒子成長工程への移行は、核生成と粒子成長を明確に分離するために、反応雰囲気の制御と反応水溶液のpHの制御を行う。なお、反応雰囲気の制御と反応水溶液のpHの制御はどちらから行っても良いし同時でもよい。以下、各制御の内容について説明する。
まず、粒子成長工程における反応雰囲気の制御について、詳細に説明する。
粒子成長工程においては、反応水溶液のpH値が、液温25℃基準で10.5〜12.5、好ましくは11.0〜12.0の範囲となるように制御する。pH値が12.5を超える場合、新たに生成される核が多くなり、微細二次粒子が生成するため、粒径分布が良好なニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子が得られない。また、pH値が10.5未満では、アンモニウムイオンによる溶解度が高く、析出せずに液中に残る金属イオンが増えるため、生産効率が悪化する。すなわち、粒子成長工程において、10.5〜12.5の範囲に反応水溶液のpHを制御することで、核生成工程で生成した核の成長のみを優先的に起こさせ、新たな核形成を抑制することができ、得られるニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を均質かつ粒度分布の範囲が狭いものとすることができる。
粒子成長工程では、核生成工程の終了後、上述のように反応雰囲気の制御と、核生成用水溶液のpH値を液温25℃基準において10.5〜12.5、好ましくは11.0〜12.0となるように調整することにより、粒子成長工程における反応水溶液である粒子成長用水溶液を得る。反応水溶液のpHの制御は、アルカリ水溶液の供給量を調節することにより行う。
粒子成長工程では、粒子成長用水溶液のpH値を10.5〜12.5の範囲とすることにより、核の生成反応よりも核の成長反応の方が優先して生じるため、新たな核はほとんど生成することなく、核が成長(粒子成長)して、所定の粒子径を有するニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子が形成される。
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子の粒径は、粒子成長工程の時間により制御できるので、所望の粒径に成長するまで粒子成長工程を継続すれば、所望の粒径を有するニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得ることができる。
生成したニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子表面を添加元素で被覆する場合には、次のいずれかの方法により行う。
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法では、反応水溶液中のpH値を調整するアルカリ水溶液については、特に限定されるものではなく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液を用いることができる。かかるアルカリ金属水酸化物の場合、直接、反応水溶液中に供給してもよいが、反応槽内における反応水溶液のpH制御の容易さから、水溶液として反応槽内の反応水溶液に添加することが好ましい。
上述したように、核生成工程及び粒子成長工程における反応水溶液中のアンモニウムイオン濃度は、以下の問題を生じさせないために、12〜30g/L、好ましくは15〜25g/Lの範囲内で一定値に保持する。
反応槽内において、反応水溶液の温度は、好ましくは30℃以上、特に好ましくは40〜60℃に設定する。反応水溶液の温度が30℃未満の場合、溶解度が低いため核発生が起こりやすく制御が難しくなる。一方、反応水溶液の温度が60℃を超えると、アンモニアの揮発が促進されるため、所定のアンモニウムイオン濃度を保つために、過剰のアンモニウムイオン供給体を添加しなければならならず、コスト高となる。
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法では、反応が完了するまで生成物を回収しない方式の装置を用いる。例えば、撹拌機が設置された、通常に用いられるバッチ反応槽などである。かかる装置を採用すると、一般的なオーバーフローによって生成物を回収する連続晶析装置のように、成長中の粒子がオーバーフロー液と同時に回収されるという問題が生じないため、粒度分布が狭く粒径の揃った粒子を得ることができる。
洗浄工程では、粒子成長工程で得られたニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を含むスラリーを洗浄する。まず、洗浄工程では、スラリーを濾過した後、水洗し、濾過する。濾過は、通常用いられる方法でよく、例えば、遠心機、吸引濾過機が用いられる。また、水洗は、通常行われる方法でよく、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子に含まれる余剰の塩を除去できればよい。水洗で用いる水は、不純物の混入を防止するため、可能な限り不純物の含有量が少ない水を用いることが好ましく、純水を用いることがより好ましい。
[ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子の製造]
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を、以下のようにして作製した。なお、すべての実施例を通じて、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。
まず、核生成工程では、反応槽(5L)内に、水を約1Lの量まで入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。このときの反応槽内は、大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とした。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、液温25℃基準で、槽内の反応液のpH値が12.8となるように調整した。さらに、反応液中のアンモニウムイオン濃度を10g/Lに調節して反応前水溶液とした。
粒子成長工程では、核生成終了後、反応水溶液のpH値が液温25℃基準で11.0になるよう硫酸を徐々に添加し調整した後、反応槽内空間の反応容器蓋と液面の間の空間の酸素濃度が0.2容量%以下となるまで窒素ガスを流通させた。反応水溶液(粒子成長用水溶液)に、再度、25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給を行い、アンモニウムイオン濃度を16g/Lに保持してpH値を液温25℃基準で11.0に制御したまま、4時間の晶析を継続し粒子成長を行い、撹拌を止めて、晶析を終了させた。そして、生成物を水洗、濾過、乾燥させてニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。
実施例2では、粒子成長工程時のアンモニウムイオン濃度のみを20g/Lとした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るとともに平均粒径の測定及び粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を算出し、タップ密度を測定した。
実施例3では、粒子成長工程時のアンモニウムイオン濃度のみを25g/Lとした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るとともに平均粒径の測定及び粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を算出し、タップ密度を測定した。
実施例4では、金属化合物として、塩化ニッケルと塩化コバルト、塩化マンガンを用いた以外は実施例1と同様にしてニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るとともに平均粒径の測定及び粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を算出し、タップ密度を測定した。
実施例5では、粒子成長工程時のアンモニウムイオン濃度のみを20g/Lとした以外は、実施例4と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るとともに平均粒径の測定及び粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を算出し、タップ密度を測定した。
実施例6では、粒子成長工程時のアンモニウムイオン濃度のみを25g/Lとした以外は、実施例4と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るとともに平均粒径の測定及び粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を算出し、タップ密度を測定した。
比較例1では、粒子成長工程時にアンモニウムイオン濃度を調整しなかった以外は、実施例1と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るとともに平均粒径の測定及び粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を算出し、タップ密度を測定した。
比較例2では、粒子成長工程時のアンモニウムイオン濃度のみを10g/Lとした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得るとともに平均粒径の測定及び粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を算出し、タップ密度を測定した。
実施例1〜6のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子は、本発明に従って製造されたため、平均粒径及び粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕値のいずれもが、好ましい範囲にあり、粒径分布が良好で粒径がほぼ揃った粒子となり、かつ比較例1と2に比べて、タップ密度が向上した高密度のニッケルコバルトマンガン複合酸化物を得ることができた。特に実施例4〜6については、金属化合物として金属塩化物を用いることで、より高いタップ密度のニッケルコバルトマンガン複合酸化物を得ることができた。
Claims (8)
- 一般式:NixCoyMnzMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.05≦x≦0.3、0.1≦y≦0.4、0.6≦z≦0.8、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されるニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法であって、
少なくとも、ニッケルを含有する金属化合物、コバルトを含有する金属化合物及びマンガンを含有する金属化合物と、12〜30g/Lのアンモニウムイオン濃度となるようにアンモニウムイオン供給体とを含む核生成用水溶液を液温25℃基準におけるpH値が11.0〜14.0となるように制御して、核生成を行う核生成工程と、
前記核生成工程において形成された核を含有する粒子成長用水溶液を液温25℃基準におけるpH値が10.5〜12.5となるように制御するとともに、不活性ガスと酸素の混合雰囲気下でアンモニアを添加し、アンモニウムイオン濃度を12〜30g/Lの範囲内に維持して、前記核を成長させてニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得る粒子成長工程とを有し、
前記粒子成長用水溶液には、前記核生成工程において形成された核を含有する前記核生成用水溶液を、該核を含有する核生成用水溶液とは異なる水溶液に対して添加したものを用いることを特徴とするニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。 - 前記金属化合物が、金属塩化物であることを特徴とする請求項1に記載のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。
- 前記粒子成長用水溶液には、前記核生成工程が終了した前記核生成用水溶液のpHを調整したものを用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。
- 前記粒子成長工程では、前記粒子成長用水溶液の液体成分の一部を排出することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。
- 前記核生成工程及び前記粒子成長工程において、前記核生成用水溶液及び前記粒子成長用水溶液の温度を、30℃以上に維持することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。
- 前記核生成工程において、前記金属化合物を含む水溶液に前記1種以上の添加元素を含む塩を溶解させた水溶液を添加した後に、又は、前記金属化合物を含む水溶液と前記1種以上の添加元素を含む塩を溶解させた水溶液とを同時に、前記アンモニウムイオン供給体を少なくとも含む反応前水溶液に添加して、前記核生成用水溶液とすることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。
- 前記粒子成長工程で得られた前記ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子に、前記1種以上の添加元素で被覆することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。
- 前記添加元素の被覆方法は、
所定のpHとなるように制御された前記ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子が懸濁した液中に、前記1種以上の添加元素を含む水溶液を添加して、前記ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子表面に前記1種以上の添加元素を析出させる方法、
前記ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子と前記1種以上の添加元素を含む塩とが懸濁したスラリーを噴霧乾燥させる方法、
前記ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子と前記1種以上の添加元素を含む塩とを固相法で混合する方法
のいずれかであることを特徴とする請求項7記載のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の製造方法。
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