JP7255386B2 - 遷移金属複合水酸化物の製造方法 - Google Patents
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Description
このような二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池は、負極および正極と電解液等で構成され、負極および正極の活物質として、リチウムを脱離および挿入することの可能な材料が用いられている。
このうちリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物は、サイクル特性が良く、低抵抗で高出力が取り出せる材料として注目されている。
また、出力には粒子の比表面積も大きく影響することから、所望する比表面積にするためには粒子径を制御することが重要である。
また、本発明に係るニッケルコバルトマンガン複合水酸化物由来の非水系二次電池用正極活物質を用いた二次電池は、高容量で高出力の優れた電気特性を有することから、最近の携帯電話やノート型パソコンなどの携帯電子機器、パワーツールおよびハイブリッド車もしくは電気自動車などの電源装置に搭載されている小型二次電池に対する高出力かつ良サイクル特性などといった要求を満足することが可能となり、工業上極めて有用な効果を奏するものである。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、以上のような知見に基づき完成されたものである。
以下、本発明に係る遷移金属複合水酸化物の製造方法についてさらに詳細に説明する。
まず、易水溶性の遷移金属塩としてニッケル塩、コバルト塩、マンガン塩(いずれも硫酸塩が望ましい)を所定の割合で水に溶解してニッケル、コバルト、マンガン混合水溶液の原液を作製する。
その原液を晶析反応槽に、所定の液量の純水と、核生成で使用する原液量から計算により求めた中和に必要な量のpH調整剤の水酸化ナトリウム水溶液を装入後、アンモニア水などのアンモニウムイオン供給体を含む水溶液を、所定の濃度になるよう添加し、撹拌、混合させた所定pHを示す反応液を作製する。
先ず、核生成工程において供給する遷移金属の化合物溶液中に含まれる個々の遷移金属イオンの物質量を、それぞれX(M1)、X(M2)、X(M3)、・・・、X(MK)(k=1、2、・・・N)とする。
次に、その遷移金属イオンが遷移金属水酸化物となった時の価数を、それぞれZ(M1)、Z(M2)、Z(M3)、・・・Z(MK)とする。
求めるpH調整剤の量Fは、下記(1)式で求められる。即ち、このFに相当する物質量がアルカリ金属水酸化物の必要量となる。
一定以上のアンモニア濃度が無ければ金属イオンの溶解度を一定に保持することができないため、ゲル状の核が生成されてしまう。ただし、25g/L以上の濃度では溶解度が上がりすぎ、溶液中に残存する金属イオン量が増えて、組成ずれが起こる。
35℃未満では温度が低くて供給する金属イオンの溶解度が充分に得られず、また60℃を越えるとアンモニアの揮発が促進されることにより錯形成するためのアンモニアが不足し、金属イオンの溶解度が減少する。
この第1工程のpH値と制御時間については、目的とする複合水酸化物の平均粒径によって任意に設定することができる。
この工程では、第1工程のあとの粒子成長段階として反応槽内を、液温25℃を基準として測定するpH値として10.5~12.0に制御することを主な特徴とする。核生成時にこのpH値へ設定することで、第1工程で核生成に必要なNaOHが消費されるとpHが低下してくるため、継続して原液とアンモニア水を供給することで新たな核生成を抑制しつつ粒子成長工程に移行することができる。
またpH値が10.5未満では、金属硫酸塩を原料として使用した場合に粒子中に残るS(イオウ)分が多くなるため望ましくない。
このpH値を変更する際には、通常、硫酸で行うところを原液の供給を継続することで行い、第1から第2工程へは、連続的に移行するものである。
・第1工程
まず、反応槽(600リットル)内に水を140リットルまで入れ、タービンタイプの撹拌羽根を使用して回転数を260rpmで撹拌しながら、温度調節制御を昇温側にして槽内温度を40℃に設定し、制御した。加えてエアを20~40L/分にて吹き込み、大気雰囲気を保った状態で25%アンモニア水を所定量加えて、液のpHを、液温25℃を基準として測定するpH値として12.6に調整し、液中アンモニア濃度を10g/Lに調節した。
上記第1工程で得た核生成後液に原液と25%アンモニア水を一定の添加速度で加えていき、pHが液温25℃を基準として測定するpH値として11.6(粒子成長pH)になるよう制御pHを設定し、pH11.6になった時点でNaOHを供給し、pH値を11.6に制御したまま、22リットルの原液を通液して晶析を実施した。
ついで、窒素ガスを流通させて反応槽内空間の酸素濃度を1%以下、反応槽内溶液中の溶存酸素濃度を0.5mg/L以下にしたのち、原液、アンモニア、NaOHの供給を再開し、pH値を11.6に制御して約4時間、原液量で270リットルを通液した後に配管内に残留した原液を洗浄するため、純水を約5リットル通水してから、アンモニアの供給を停止し、さらにpH値を1.2上昇させて12.8とし、スラリー液中に含まれるNiをほぼ全量析出させた。得られた生成物を水洗、濾過、乾燥させた。
得られた複合水酸化物の平均粒径は5.2μm、タップ密度は1.22g/ccであった。
実施例1と同様にして第1工程の核生成工程を実施後、原液配管内液の押し出しのため純水を約1リットル通液した。その後、第2工程の粒子成長工程で制御するpH11.6にするため、64%硫酸を添加した結果、pHがオーバーシュートにより11.4まで低下し、槽内温度が5℃ほど上昇した。そこから晶析を再開し、原液20リットルを通液する間に2℃程度低下したものの設定温度の40℃まで低下せず、見かけ上、制御pHは一定だが実pHは0.1程度変動した。窒素雰囲気に置換後は設定温度まで下がり、晶析を再開し、実施例1と同様の操作で水酸化物を得た。
得られた水酸化物の平均粒径は5.6μm、タップ密度は1.26g/ccであった。
比較例1と同様にして第2工程の粒子成長工程で制御するpHに調整するため、64%硫酸を添加した結果、槽内温度が5℃ほど上昇した。そこで、その槽内温度を下げるため、反応槽の温度調節制御を冷却側に切り替え、設定温度になるまでジャケット内に水を通液した結果、オーバーシュートにより設定温度より3℃ほど低くなった。再び温度調節制御を昇温側に切り替え、オーバーシュートを加味しながら調整し、設定温度の40℃になるまで約20分を要した。原液配管内を洗浄していなければノズルが詰まる要因となっていた。そこから晶析を再開し、原液20リットルを通液した。その後、窒素雰囲気に置換後晶析を再開し、実施例1と同様の操作で水酸化物を得た。
得られた水酸化物の平均粒径は5.3μm、タップ密度は1.20g/ccであった。
Claims (5)
- リチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体として用いられる遷移金属複合水酸化物の製造方法であって、
pH調整剤の添加により液温25℃基準におけるpHを12.0以上、14.0以下の一定値に維持しつつ、遷移金属の化合物溶液と、前記遷移金属と錯イオンを形成する化合物溶液を、反応槽内に連続的に供給、混合して反応液を形成することで、前記反応液中に微細な遷移金属複合水酸化物粒子を核として液中に生成させた核生成後液を形成する核生成工程と、
前記核生成後液を、液温25℃基準におけるpHを10.5以上、12.0以下の範囲における一定値に維持しつつ、前記遷移金属の化合物溶液と、遷移金属と錯イオンを形成する化合物溶液を、前記核生成後液に連続的に供給して前記核の周囲に前記遷移金属の複合水酸化物を析出せしめて形成した粒子を成長させる粒子成長工程を、少なくとも含む中和晶析であり、
前記核生成工程において供給する前記遷移金属の化合物溶液中に含まれる個々の遷移金属イオンの物質量をX(M1)、X(M2)、X(M3)、・・・、X(MK)(k=1、2、・・・N)とし、前記遷移金属イオンが遷移金属水酸化物となった時の価数をZ(M1)、Z(M2)、Z(M3)、・・・Z(MK)とした時、X(M1)×Z(M1)+X(M2)×Z(M2)+X(M3)×Z(M3)+・・・X(MK)×Z(MK)(K=1、2、・・・N)に相当する物質量のアルカリ金属水酸化物を、前記遷移金属の化合物溶液と前記遷移金属と錯イオンを形成する化合物溶液を連続的に供給、混合して反応液を形成する際に、前記pH調整剤として予め反応槽内に投入しておき、
前記遷移金属の化合物溶液と遷移金属と錯イオンを形成する化合物溶液の連続的な供給、混合により核生成後液のpHが低下してゆき、前記核生成後液のpHが前記粒子成長工程において維持すべき前記一定値に達した時点から、pH調整剤のアルカリ金属水溶液の供給を開始し、以後核成長工程の終了まで前記pHを10.5以上、12.0以下の範囲における一定値に維持することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体として用いられる遷移金属複合水酸化物の製造方法。 - 前記遷移金属の化合物が、遷移金属硫酸塩、遷移金属塩化物、遷移金属硝酸塩のいずれか、または少なくとも2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1に記載の遷移金属複合水酸化物の製造方法。
- 前記遷移金属と錯イオンを形成する化合物溶液が、アンモニア水であることを特徴とする請求項1または2に記載の遷移金属複合水酸化物の製造方法。
- 前記遷移金属複合水酸化物が、3~7μmの平均粒径を有し、粒度分布の広がりを示す指標である〔(D90-D10)/D50〕が0.55以下である請求項1~3のいずれか1項に記載の遷移金属複合水酸化物の製造方法。
- 前記遷移金属複合水酸化物が、Ni、Co、Mn、添加元素Mの原子量比Ni:Co:Mn:Mが1-x-y-z:x:y:z(0.1≦x≦0.4、0.1≦y≦0.5、0≦z≦0.1、0.3≦1-x-y-z≦0.7、MはAl、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選択される1種以上)で表される一般式NixCoyMnz(OH)2+α(0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.4、 0.1≦z≦0.5、x+y+z=1、0≦α≦0.5)のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物であることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の遷移金属複合水酸化物の製造方法。
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