JPH11511290A - マイクロ波エネルギーを用いたリチウム二次電池用陽極材料の調製方法 - Google Patents

マイクロ波エネルギーを用いたリチウム二次電池用陽極材料の調製方法

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JPH11511290A JP9540354A JP54035497A JPH11511290A JP H11511290 A JPH11511290 A JP H11511290A JP 9540354 A JP9540354 A JP 9540354A JP 54035497 A JP54035497 A JP 54035497A JP H11511290 A JPH11511290 A JP H11511290A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、マイクロ波を利用してリチウム二次電池用陽極材料を調製する方法に関する。Co、Ni,Mn、Cr、Ti、V、Sc、FeとLiの酸化物、水酸化物或いは塩を原料として使って、Li1+x1-yM’ω4-z(xは−1〜5、yは−1〜1、ωは0〜6、zは−8〜3)の組成比に従って原料を秤採り、均一に混合して前駆体を調製する。係る前駆体をマイクロ波を透過させる断熱材料で作られた容器に入れ、周波数が0.3〜300GHz、波長が1mm〜1mのマイクロ波オーブン内に置く。1分〜5時間、500℃〜1000℃で加熱合成した後、オーブン内で冷却させてリチウム二次電池用陽極材料が調製される。本方法は、省エネルギーであって、加熱合成工程におけるリチウムの損失を低減し、材料組成の安定性を保証する。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波エネルギーを用いたリチウム二次電池用陽極材料の調製方法発明の分野 本発明は、マイクロ波を用いたリチウム二次電池用陽極材料の調製方法に関す る。発明の背景 従来の固相反応法によってリチウム二次電池用電極材料を調製するには、金属 の酸化物、水酸化物あるいは塩を一定の割合で混合後、従来の加熱オーブンの中 でか焼させることが必要である。例えば、リチウム電池の陽極材料を調製するた めには、リチウムの水酸化物あるいは塩と遷移金属を含む水酸化物あるいは塩と から得られる遷移金属酸化物LiCoO2、LiNiO2、LiMn24を通常、 原料とする。これらを700〜900℃の高温で長時間か焼する。か焼はこれを 多数回繰り返す。得られた材料の電化化学可逆容量は120〜140mAh/g である。これらについては以下の文献に記載がある。 1.K.Mizushima,P.C.Jones, P.J.Wiseman and J.B.Goodenough、材料研究公 報、1980年第15巻783ページ。(K.Mizushima,P.C.J ones,P.J.Wiseman and J.B.Goodenough. Mat.Res.Bull.,15,783(1980)) 2.M.G.S.R.Thomas,W.I.F.David,J.B.Go odenough and P.Graves,材料研究公報、1985年第2 0巻1137ページ。(M.G.S.R.Thomas,W.I.F.Davi d,J.B.Goodenough and P.Graves,Mat.Re s.Bull.,20,1137(1985)) 3.M.M.Thackeray,W.I.F.David,P.G.Bru ce and J.B.Goodenough,材料研究公報、1983年第上 18巻461ページ。(M.M.Thackeray,W.I.F.David ,P.G.Bruce and J.B.Goodenough,Mat.Re s.Bull.,18,461(1983)) 従来の加熱オーブンの加熱過程においては、熱を加熱体からサンプルの中心部 に伝導させてサンプルを均一加 熱するために、常に24時間〜48時間の長時間の保温が必要である。こうして 均一な生成物が得られていた。これは大量な時間とエネルギーを消費することに なる。さらに、長時間のか焼は、材料の結晶粒子の成長を招いてしまう。そのよ うにして得られた材料をリチウム二次電池に用いるためには、細かい粉末に粉砕 しなければならない。従って、結晶粒子のサイズの分布は非常に不均一となり、 かつ結晶粒子形状は不規則なものとなってしまう。このため、陽極材料に要求さ れる特性が失われてしまう。さらに、長時間の加熱によって、化合物中のリチウ ムの揮発は深刻なものとなる。通常、これを補うため、反応プロセス中に余分の リチウム塩を足す必要がある。このようなことから、従来の固相反応法によって は最終生成物の組成と均一性を制御するのは非常に困難である。従って、従来の 固相反応法でリチウム二次電池用の陽極材料を生産するのでは、エネルギーの消 耗が大きく、生産効率が低い。材料の組成式制御は困難で、再現性も悪くなる。 材料の性能も不安定である。 本発明の目的は、エネルギーの節約と生産効率を向上させることにある。第2 の目的は、調製過程におけるリチウム塩の揮発量を低減させることにある。そう することによって、生成物質の組成が正確に制御され、また生産の再現性が良く なることが保証され、均一な結晶粒子の微結晶からなる陽極材料が得られる。こ の陽極材料の サイクル性能は良好で、しかも大電流の充放電に堪え得る。従って、リチウムと 遷移金属、例えばCo、Ni、Mn、Crの水酸化物あるいは酸化物あるいはそ の塩類の混合物をマイクロ波中で加熱するリチウム二次電池用陽極材料の合成法 を提供する。 発明の開示 本発明は、マイクロ波によってリチウム二次電池用陽極材料を調製する方法に 関する。陽極材料の一般式は、Li1+x1-yM’ω4-zである。ここにおいて 、x=−1〜5、y=−1〜1、ω=0〜6、z=−8〜3である。M、M’は 、Co、Ni、Mn、Cr、V、Ti、Sc、或いはFeである。Co、Ni、 Mn、Cr、V、Ti、Sc、FeとLiの酸化物、水酸化物あるいは塩を原料 にして、これらを一般式の組成比で調合する。そして、通常の乾式又は湿式混合 によって前駆体を調製する。前駆体は、共沈法、ゾルゲル法、ペチニ(Pech ini)法などの湿式化学法によっても調製できる。前駆体を錠剤にして或いは 固めないままの状態で、ムライト・フォームド(mullite foamed)耐火煉瓦、酸化 アルミニウム・フォームド(foamed)耐火煉瓦、耐高温ガラスなどのマイクロ波を 透過する断熱材料から作られた容器に入れる。さらにそれを、2.45GHz、 28GHz或いは60GHzの周波数の単一モード又はマルチ モードのマイクロ波オーブン内に配置する。0.3〜300GHzの範囲の周波 数のマイクロ波を使うのである。マイクロ波の波長は1mm〜1mの間である。 断熱時間として1分〜5時間、500〜1000℃に加熱し、その後オーブン内 で冷却し、リチウム二次電池用陽極材料を調製するのである。Li1+xCoO2、 Li1+xNiO2、Niω2とLi1+xMn24-z、Li4Mn49、LiMnO2 、Li2MnO3、Li5Mn49、Li4Mn512などの材料が調製される。 本発明に使用するマイクロ波は周波数が0.3〜300GHzの範囲の電磁波 であり、対応波長は1mm〜1mの間であって、短波長、高周波数、高透過性、 といった特性を有し、量子的振る舞いが顕著に現れるものである。新規なエネル ギーで、材料は急速加熱され、か焼されることが可能となる。マイクロ波加熱は 従来の加熱とは完全に異なったものである。これは物体自身がマイクロ波エネル ギーを吸収して熱エネルギーに変換し、自身が一定の温度に昇温される。熱は外 部の熱源からではなく材料の内部から生み出される体加熱方式である。このため 合成温度は従来法の場合よりも低い。材料がマイクロ波エネルギーを吸収して内 部の分子の運動エネルギーと熱エネルギーに変換した後、材料全体が同時に均一 に加熱される。材料のマイクロ波エネルギーの吸収率は温度に比例して大きくな るため、温度は指数関数的に上昇 するのである。従ってきわめて高い加熱速度となるのである。材料は表面拡散速 度の高い低温領域を迅速に通過し、結晶粒界拡散と格子拡散とが優勢な高温領域 に入る。このため、結晶粒子が要求する時間が大幅に短縮される。従って、均一 、緻密な微構造が得られるのである。しかもエネルギーと時間の消費量が大幅に 低減されるのである。電子顕微鏡写真からわかるように、材料の結晶粒子サイズ は0.1〜0.5μmで、従来の方法で合成したLiCoO2の約1/10であ る。同時に粒間の凝集が抑制され、さらに粉砕工程を行うことなく合成されたも のを直接使用することができる。 本発明で調製した陽極活物質は、リチウムを含む遷移金属酸化物であることが できる。このような酸化物は、リチウムイオンを可逆的にインターカレート/ジ インターカレートすることが可能である。リチウムを含む遷移金属酸化物は、リ チウムを含む化合物と、Co、Ni、Mn、Cr、V、Ti、Sc、Feなどの 遷移金属の少なくとも一種の化合物とから調製することができる。この酸化物は 、30mol%までの割合で他の金属、例えばAl、Ga、Tiなどを含むこと ができる。本発明のリチウムを含む遷移金属酸化物の陽極活物質として、Lix CoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCo1-yNiω2を挙げることが できる。本発明では、陽極活物質として、スピネル型のマンガン/リチウ ム酸化物も調製される。その典型的なものはLiMn24である。本発明を用い て調製されるスピネル構造を有したマンガン/リチウム酸化物には各種の形態が ある。正スピネル構造、反スピネル構造、無欠陥型構造、有欠陥型非化学量論構 造などである。合成の雰囲気は、酸化雰囲気でも還元雰囲気でもよい。例えば、 合成は、空気、任意の酸素分圧力雰囲気、水素雰囲気、一酸化炭素雰囲気、窒素 雰囲気、アルゴン雰囲気あるいは二酸化炭素雰囲気で行われる。 本発明の優位点は、マイクロ波を使ってリチウムイオン電池の陽極材料を加熱 合成するので、合成温度が実質的に低減される、合成時間が短縮される、極めて 短時間で合成が完了するので生産性が高い、全過程を通してのリチウムの揮発減 量が無視できる程度である、といった点にある。しかも材料の組成比が確実に一 定不変に保たれる。また、結晶粒子成長が充分に制御されるので、材料をさらに 粉砕する工程をおく必要がないし、調製された陽極材料は高い電気化学的容量を 有する。他にも従来法で合成した陽極材料と比較して優れた特性があるが、特に 、大電流で充放電が可能である点が重要である。 図面の簡単な説明 図1は、マイクロ波加熱の典型的な昇温曲線を示した 図である。 図2は、マイクロ波エネルギーを使って得たリチウム二次電池用陽極材料のL iCoO2の電子顕微鏡写真である。 図3は、マイクロ波エネルギーを使って得たリチウム二次電池用陽極材料のL iCoO2サンプルのX線回折スペクトルである。 図4は、マイクロ波エネルギーを使って得たリチウム二次電池用陽極材料のL iCoO2と金属リチウムとを用いて組み立てた電池の充放電曲線を示した図で ある。 図5は、マイクロ波エネルギーを使って得たリチウム二次電池用陽極材料のL iCoO2のサイクル性能を示した図である。 図6は、マイクロ波エネルギーを使って得たリチウム二次電池用陽極材料のL iMn24のX線回折スペクトルを示した図である。 図7は、マイクロ波エネルギーを使って得たリチウム二次電池用陽極材料のL iMn24と金属リチウムとを用いて組み立てた電池の充放電曲線を示した図で ある。 図8は、マイクロ波エネルギーを使って得たリチウム二次電池用陽極材料のL iMn24のサイクル性能を示した図である。 発明を実施するための最良の形態 〔実施例1〕 陽極材料LiCoO2の合成は、Li1+x1-yM’ω4-z(ここにおいてx= 0、y=0、ω=0、z=2)、MはCo、に従う。リチウム塩のためには、化 学的に純粋な水酸化リチウムを利用し、コバルト塩のためには、化学的に純粋な 三酸化コバルトを利用する。この二種の原料を重量比で1:3.47に秤とり、 従来の乾式混合工程によって均一に混合して、錠剤にプレスして前駆体とする。 その後これをムライト・フォームド(foamed)断熱材料製の容器に入れて、マイク ロ波周波数が2.45GHz、対応波長が12.24cmの単一モード・マイク ロ波内に置き、合成を行う。合成温度は800℃で、断熱保温10分間、合成雰 囲気は空気雰囲気である。その後、オーブンと一緒に冷却させる。全過程は全部 で20分間程度であって、マイクロ波加熱による昇温曲線は図1のようである。 合成したLiCoO2の微結晶のサイズは、電子顕微鏡で観察すると1〜2μm であった(図2)。これに対して、従来において合成されたLiCoO2の微結 晶サイズは10〜20μmである。図3のXRDスペクトルからわかるように、 マイクロ波で合成したLiCoO2はきわめて高い純粋度を有していて、他の不 純物相の存在は観察されない。電気化学的可逆容量は140mAh/gであり( 図4)、サイクル性能も良い(図5)。 〔実施例2〕 陽極材料LiNiO2の合成は、Li1+x1-yM’ω4-z(ここにおいてx= 0、y=0、ω=0、z=2)、MはNi、に従う。リチウム塩のためには、化 学的に純粋(ケミカル・ピュア)な硝酸リチウムを使う。ニッケル塩のためには 、分析的に純粋(アナラティカル・ピュア)な酸化ニッケルを使う。この二種類 の原料を重量比で1:0.75に秤とり、通常の乾式混合方法で均一に混合する 。合成法は実施例1で述べたと同様である。合成の温度は700℃、保温30分 間、合成の雰囲気は空気雰囲気である。その後オーブンと一緒に冷却させた。合 成したLiNiO2の結晶粒子のサイズは1〜2μmである。その電気化学可逆 容量は150mAh/gであり、サイクル性能も良い。 〔実施例3〕 陽極材料Li0.9NiO2の合成はLi1+x1-yM’ω4-z(x=−0.1、 y=0、ω=0、z=2)、MはNi、に従う。上と同じ原料を重量比で1:0 .83に秤とり、乾式混合で均一に混合して、錠剤にした後、上と同じ条件下で 合成を行う。合成の温度は500℃である。保温は1時間である。合成の雰囲気 はアルゴン雰囲気である。電気化学可逆容量は120mAh/gである。サイク ル性能は良い。 〔実施例4〕 陽極材料LiNi0.91Co0.092の合成はLi1+x1-yM’ω4-z(x=0 、y=0.09、ω=0.09、z=2)、M’はCo、に従う。リチウム塩は 化学的に純粋(ケミカル・ピュア)な水酸化リチウムを使う。ニッケル塩は化学 的に純粋(ケミカル・ピュア)な三酸化ニッケルを使う。コバルト塩は化学的に 純粋(ケミカル・ピュア)な三酸化コバルトを使う。この三種類の原料は1:3 .14:0.31で秤とる。これらを均一に混合して、錠剤にした後、ムライト ・フォームド(foamed)断熱煉瓦製の容器に入れて、マイクロ波周波数が2.45 GHzの単一モード・マイクロ波オーブンに置いて合成を行う。合成の温度は7 00℃、保温10分間、それからオーブンと一緒に冷却させる。生成物は単相で ある。その電気化学容量は150mAh/gである。サイクル性能は良い。 〔実施例5〕 陽極材料LiMn22の合成はLi1+x1-yM’ω4-z(x=0、y=1、 ω=0、z=0)、MはMn、に従う。化学的に純粋な水酸化リチウムと化学的 に純粋な二酸化マンガンを原料として使う。これらを1:7.26の重量比で秤 とり、均一に混合して錠剤にした後、ムライト・フォームド(foamed)断熱煉瓦製 の容器に 入れて、28GHzのマルチモード家庭用マイクロ波オーブンの中に置いて、高 加熱レンジを使って20分間加熱し、その後オーブンと一緒に冷却させた。得ら れたLiMn24の結晶粒子は均一で1〜2μmである。相の純度は高い(図6 )。電気化学可逆容量は120mAh/g(図7)で、サイクル性能は良い(図 8)。 〔実施例6〕 陽極材料LiCr0.4Mn1.64の合成はLi1+x1-yM’ω4-z(x=0、 y=0.4、ω=0.4、z=2)、MはMn、M’はCr、に従う。化学的に 純粋(ケミカル・ピュア)な水酸化リチウムと、化学的に純粋な三酸化二クロム と、化学的に純粋な二酸化マンガンとを原料として使う。これらを1:1.27 :5.81の重量比で秤とり、均一に混合して、錠剤にして、ムライト・フォー ムド(foamed)断熱煉瓦製の容器に入れて、60GHzのマルチモードの家庭用マ イクロ波オーブンの中に置いて、高加熱ランジを使って20分間加熱した後、オ ーブンと一緒に冷却させる。生成物の電気化学可逆容量は100mAh/gであ る。 〔実施例7〕 陽極材料LiCo0.9Fe0.12の合成は、Li1+x1-yM’ω4-z(x=0 、y=−0.1、ω=0.1、z=2)、M’はFe、に従う。Fe(NO32 とLiNO3を原料にして、通常の湿式化学法を利用して前駆体を調製する。ク エン酸とエチレングリコールをモノマーにしてポリマーベースを形成する。 Li:Co:Mn=1:0.9:0.1の原子比に従って、金属硝酸塩をクエ ン酸とエチレングリコールの混合物中に溶解させ、この溶液を100〜140℃ でエステル化する。その後180℃で真空中で乾燥させて、発泡状(foamed)の有 機前駆体が得られる。これを400℃で5時間か焼して有機物を除去し、その後 これを均一に混合して、錠剤にする。この錠剤を、耐高温のほう素けい素ガラス 製の容器に入れて、2.45GHzのマルチモードの家庭用マイクロ波オーブン 中に置いて500℃に加熱する。保温は5時間である。 〔実施例8〕 陽極材料LiMn1.90.14の合成はLi1+X1-yM’ω4-z(x=0、y =−0.9、ω=0.1、z=0)、M’はV、に従う。酢酸バナジウム、酢酸 マンガン、酢酸リチウムを原料にして、ゾルゲル法を利用して前駆体を調製する 。メチルセロソルブを溶媒にして、α−メタクリル酸とジエチレントリアミンと をモノマーにしてポリマーを形成する。 Li:Mn:V=1:1.9:0.1の原子比に従って、酢酸塩をメチルセロ ソルブに溶解して、α−メタクリル酸とジエチレントリアミンとを加える。得ら れたゾ ルは120〜140℃に加熱され、硬化してゲルになる。500℃で熱処理5時 間後、前駆体が得られる。これを均一混合して錠剤にする。マイクロ波中で75 0℃に加熱して、保温1分間である。 〔実施例9〕 陽極材料LiMnO2の合成は、Li1+x1-yM’ω4-z(x=0、y=1、 ω=0、z=2)、MはMn、に従う。CMD(36.3g)とLiOH(10 g)をボールミルで均一に混合して、その後錠剤にする。アルミナ質の耐火材料 製の箱状鉢中にこれを入れて、2.45GHzの単一モードマイクロ波オーブン 中で合成を行う。合成の雰囲気はアルゴンである。まず500℃で5分間加熱、 その後、再粉砕した後、1000℃で10分間加熱する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フアン、フエジエ 中華人民共和国 100080 北京市 ハイ ディアン ディストリクト ゾン グアン クン ナン サン ジエ ナンバー8 (72)発明者 チェン、リクアン 中華人民共和国 100080 北京市 ハイ ディアン ディストリクト ゾン グアン クン ナン サン ジエ ナンバー8 (72)発明者 フエ、ロンジアン 中華人民共和国 100080 北京市 ハイ ディアン ディストリクト ゾン グアン クン ナン サン ジエ ナンバー8 (72)発明者 フアン、ホン 中華人民共和国 100080 北京市 ハイ ディアン ディストリクト ゾン グアン クン ナン サン ジエ ナンバー8

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.マイクロ波エネルギーを用いてリチウム二次電池用陽極材料を調製する方 法であって、遷移金属のM、M’=Co、Ni、Mn、Cr、V、Ti、Sc、 Feとリチウムの酸化物、水酸化物あるいは塩を原料にして従来の混合方法で前 記原料を均一混合して前駆体とし加熱合成する調製方法であって、 陽極材料の組成は、Li1+x1-yM’ω4-zの組成比に従い、ここにおいて 、xは−1〜5、yは−1〜1、ωは0〜6、zは−8〜3であって、M、M’ はCo、Ni、Mn、Cr、V、Ti、Sc、Feを表すものであって、 前駆体をペレット状にし又は固めないままの状態で、マイクロ波を透過する断 熱材料と耐高温ガラスとから作られた容器に入れ、さらに、マイクロ波周波数が 0.3〜300GHz、マイクロ波波長が1mm〜1mの単一モード又はマルチ モード・マイクロ波オーブン内に置いて、保温時間として1分〜5時間、500 ℃〜1000℃で加熱合成して、その後オーブン内で冷却させる調製方法。 2.前記マイクロ波を透過する断熱材料が、ムライト質の耐火材料、アルミナ 質の耐火材料、パイロフェライト、ほう素けい素ガラス材料のいずれかであるこ とを特 徴とする、請求の範囲1に記載の調製方法。 3.マイクロ波オーブン内での合成雰囲気が、酸化雰囲気、還元雰囲気、又は 中性雰囲気であることを特徴とする、請求の範囲1に記載のリチウム二次電池用 陽極材料の調製方法。
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