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特開2023-47467リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023047467
(43)【公開日】2023-04-06
(54)【発明の名称】リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/505 20100101AFI20230330BHJP
   H01M 4/58 20100101ALI20230330BHJP
   H01M 4/36 20060101ALI20230330BHJP
   C01B 25/45 20060101ALI20230330BHJP
【FI】
H01M4/505
H01M4/58
H01M4/36 E
H01M4/36 B
H01M4/36 C
C01B25/45 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021156395
(22)【出願日】2021-09-27
(71)【出願人】
【識別番号】000000240
【氏名又は名称】太平洋セメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000084
【氏名又は名称】弁理士法人アルガ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】加藤 愉子
(72)【発明者】
【氏名】山下 弘樹
(72)【発明者】
【氏名】大神 剛章
【テーマコード(参考)】
5H050
【Fターム(参考)】
5H050AA07
5H050BA16
5H050BA17
5H050CA01
5H050CA09
5H050CA29
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB11
5H050CB12
5H050FA17
5H050FA18
5H050GA02
5H050GA06
5H050HA00
5H050HA01
5H050HA02
5H050HA05
(57)【要約】
【課題】リチウムイオン二次電池のサイクル特性を効果的に向上させることのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子を提供する。
【解決手段】下記式(a):
LifMngFeh1 xPO4・・・(a)
で表され、かつ平均粒径が50nm~200nmであるナノ粒子A、及び
下記式(b):
LiM2 aMnb4 ・・・(b)
で表され、かつ平均粒径が100nm~200nmであるナノ粒子B
により形成されてなる複合体粒子であって、
ナノ粒子Aとナノ粒子Bとの質量比(A:B)が3:97~45:55であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(a):
LifMngFeh1 xPO4・・・(a)
(式(a)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3、及び7/13≦g/h≦17/3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が50nm~200nmであるナノ粒子A、及び
下記式(b):
LiM2 aMnb4 ・・・(b)
(式(b)中、M2はNi、Co、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、Cu、及びSiから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a及びbは、0≦a≦0.1、0<b≦2、及び(M2の価数)×a+(Mnの価数)×b=7を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が100nm~200nmであるナノ粒子B
により形成されてなる複合体粒子であって、
ナノ粒子Aとナノ粒子Bとの質量比(A:B)が3:97~45:55であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子。
【請求項2】
平均粒径が、8μm~50μmであるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子。
【請求項3】
ナノ粒子Aの表面に、セルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素が担持してなり、かつ
ナノ粒子Aの全量100質量%中における炭素の担持量が、0.1質量%~5.0質量%である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子。
【請求項4】
ナノ粒子A及びナノ粒子Bを、ナノ粒子Aとナノ粒子Bとの質量比(A:B)で3:97~45:55にて含む造粒体の焼成物である請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートPC、ハイブリッド自動車、電気自動車等広い分野に利用されている。こうしたリチウムイオン二次電池の正極材料として、その安全性の高さや容量の大きさから、LiMnxFe1-xPO4のような、いわゆるリン酸マンガンリチウムやリン酸鉄リチウム等のオリビン型構造を有する粒子が有望視されており、かかる粒子を活用した種々の開発がなされている。
【0003】
例えば、特許文献1には、リチウムマンガン酸化物等の活物質を含有する第1の層と、LiFePO4等の活物質を含有する第2の層で形成される正極活物質層が配置されたリチウムイオン二次電池用正極が開示されており、放電レート特性の改善を試みている。
また、特許文献2には、LiMn24等のリチウム含有遷移金属酸化物等から形成されたコア部として、リン酸マンガン鉄リチウム等のリチウム金属酸化物粒子と高分子とを含むシェル部を備える電極活物質が開示されており、安全性と安定性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2018-147790号公報
【特許文献2】特表2015-503196号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1のような層構造を有する正極活物質では、得られるリチウムイオン二次電池において、未だ充分にサイクル特性を高めるには至らず、また特許文献2のようなコア-シェル構造を呈する正極活物質であっても、サイクル特性の向上を図るにあたっては、依然として改善の余地がある。
【0006】
したがって、本発明の課題は、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を効果的に向上させることのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
そこで本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、リン酸マンガン鉄リチウムナノ粒子とLiMn24等の特定の式で表されるナノ粒子が、特定の質量比を有しつつ複合体粒子を形成してなることにより、リチウムイオン二次電池において、優れたサイクル特性を発現できるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子が得られることを見出した。
【0008】
すなわち、本発明は、下記式(a):
LifMngFeh1 xPO4・・・(a)
(式(a)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3、及び7/13≦g/h≦17/3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が50nm~200nmであるナノ粒子A、及び
下記式(b):
LiM2 aMnb4 ・・・(b)
(式(b)中、M2はNi、Co、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、Cu、及びSiから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a及びbは、0≦a≦0.1、0<b≦2、及び(M2の価数)×a+(Mnの価数)×b=7を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が100nm~200nmであるナノ粒子B
により形成されてなる複合体粒子であって、
ナノ粒子Aとナノ粒子Bとの質量比(A:B)が3:97~45:55であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子を提供するものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子によれば、効果的にサイクル特性が高められたリチウムイオン二次電池を実現することができる。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子は、下記式(a):
LifMngFeh1 xPO4・・・(a)
(式(a)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3、及び7/13≦g/h≦17/3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が50nm~200nmであるナノ粒子A、及び
下記式(b):
LiM2 aMnb4 ・・・(b)
(式(b)中、M2はNi、Co、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、Cu、及びSiから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a及びbは、0≦a≦0.1、0<b≦2、及び(M2の価数)×a+(Mnの価数)×b=7を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が100nm~200nmであるナノ粒子B
により形成されてなる複合体粒子であって、
ナノ粒子Aとナノ粒子Bとの質量比(A:B)が3:97~45:55である。
【0011】
このように、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子は、ともに特定の式で表される極微細な粒子のナノ粒子Aとナノ粒子Bが、限られた質量比を保持しながら形成されてなる複合体粒子であることにより、これらナノ粒子Aとナノ粒子Bが緻密に絡み合いながら凝集して、粒子Bの遷移金属成分が電解液へ溶出することを抑制し、得られるリチウムイオン二次電池において、効果的にサイクル特性を高めることを可能とする。
【0012】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子を形成してなるナノ粒子Aは、下記式(a):
LifMngFeh1 xPO4・・・(a)
(式(a)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3、及び7/13≦g/h≦17/3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が50nm~200nmである。
【0013】
上記式(a)で表されるナノ粒子Aは、少なくとも遷移金属としてマンガン(Mn)及び鉄(Fe)の双方を含むオリビン型リン酸遷移金属リチウム化合物であって、ナノスケールの極微細な粒子である。本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子は、かかるナノ粒子Aが後述するナノ粒子Bとの間で特定の質量比を保持しつつ、これらのナノ粒子が緻密に絡み合いながら複合化することにより形成されてなるため、サイクル特性を効果的に高めることができる。
【0014】
上記ナノ粒子Aとしては、平均放電電圧の観点から、fについては、0.6≦f≦1.2が好ましく、0.65≦f≦1.15がより好ましく、0.7≦f≦1.1がさらに好ましい。gについては、0.4≦g≦0.8が好ましく、0.5≦g≦0.8がより好ましく、0.7≦g≦0.8がさらに好ましい。hについては、0.2≦h≦0.6が好ましく、0.2≦h≦0.5がより好ましく、0.2≦h≦0.3がさらに好ましい。xについては、0≦x≦0.2が好ましく、0≦x≦0.15がより好ましく、0≦x≦0.1がさらに好ましい。そして、g/hは、いわゆるナノ粒子Aを構成するMnとFeとのモル比であり、2/3≦g/h≦4が好ましく、9/11≦g/h≦3がより好ましく、1≦g/h≦7/3がさらに好ましい。
【0015】
具体的には、例えばLiMn0.4Fe0.6PO4、LiMn0.7Fe0.3PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、LiMn0.75Fe0.15Mg0.1PO4、LiMn0.75Fe0.19Zr0.03PO4、LiMn0.6Fe0.4PO4、LiMn0.5Fe0.5PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、Li0.6Mn0.84Fe0.36PO4等が挙げられる。なかでもLiMn0.6Fe0.4PO4、LiMn0.4Fe0.6PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、LiMn0.7Fe0.3PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、又はLi0.6Mn0.84Fe0.36PO4が好ましい。
【0016】
上記式(a)で表されるナノ粒子Aの平均粒径は、リチウムイオンの挿入及び脱離を有効に促進する観点、及びハンドリングの観点から、50nm~200nmであって、好ましくは60nm~190nmであり、より好ましくは70nm~180nmであり、さらに好ましくは80nm~170nmであり、またさらに好ましくは90nm~160nmである。
ここで、ナノ粒子Aにおける「平均粒径」とは、SEM(JSM-7001F、日本電子社製)において観察される粒子100個の平均粒径を意味する。
【0017】
ナノ粒子Aは、優れた放電容量を確保して、サイクル特性のさらなる向上を図る観点から、その粒子の表面に、セルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素を担持されてなる粒子としてもよい。
セルロースナノファイバーとは、全ての植物細胞壁の約5割を占める骨格成分であって、かかる細胞壁を構成する植物繊維をナノサイズまで解繊等することにより得ることができる軽量高強度繊維である。かかるセルロースナノファイバーの繊維径は1nm~1000nmであり、水への良好な分散性も有している。また、セルロースナノファイバーを構成するセルロース分子鎖では、炭素による周期的構造が形成されている。そのため、かかるセルロースナノファイバーが炭化されて炭素となり、これが上記ナノ粒子Aの表面に堅固に担持してなると、極微細なナノ粒子Bとともに緻密に複合体粒子を形成することとなり、電子導電パスの低下を有効に抑制して圧密度を有効に高め、得られる電池において優れたサイクル特性の発現を確保することができる。
【0018】
ナノ粒子Aの表面にセルロースナノファイバー由来の炭素が担持してなる場合、炭化してなるセルロースナノファイバー由来の炭素の原子換算量、すなわちセルロースナノファイバー由来の炭素の担持量は、かかる炭素の担持量を含めたナノ粒子Aの全量100質量%中に、好ましくは0質量%超5.0質量%以下であり、より好ましくは0.1質量%~4.0質量%であり、さらに好ましくは0.2質量%~3.0質量%である。
【0019】
水溶性炭素材料とは、セルロースナノファイバーと同様、炭化されて炭素となり、これがナノ粒子Aの表面に担持してなると、セルロースナノファイバーと同様、電子導電パスの低下を有効に抑制して圧密度を有効に高め、得られる電池において優れたサイクル特性の発現を確保することができる。
かかる水溶性炭素材料としては、例えば、糖類、ポリオール、ポリエーテル、及び有機酸から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。より具体的には、例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース等の単糖類;マルトース、スクロース、セロビオース等の二糖類;デンプン、デキストリン等の多糖類;エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブタンジオール、プロパンジオール、ポリビニルアルコール、グリセリン等のポリオールやポリエーテル;クエン酸、酒石酸、アスコルビン酸等の有機酸が挙げられる。なかでも、溶媒への溶解性及び分散性を高めて炭素材料として効果的に機能させる観点から、グルコース、フルクトース、スクロース、デキストリンが好ましく、グルコースがより好ましい。
【0020】
ナノ粒子Aの表面に水溶性炭素材料由来の炭素が担持してなる場合、水溶性炭素材料由来の炭素の原子換算量、すなわち水溶性炭素材料由来の炭素の担持量は、かかる炭素の担持量を含めたナノ粒子Aの全量100質量%中に、好ましくは0質量%超4.0質量%以下であり、より好ましくは0質量%超3.0質量%以下であり、さらに好ましくは0質量%超2.0質量%以下である。
【0021】
これらセルロースナノファイバー由来の炭素、及び水溶性炭素材料由来の炭素は、セルロースナノファイバー由来の炭素のみを担持、水溶性炭素材料由来の炭素のみを担持、或いはセルロースナノファイバー由来の炭素と水溶性炭素材料由来の炭素とを双方とも担持させてもよい。なかでも、ナノ粒子Aの表面を効率よく覆う観点から、セルロースナノファイバー由来の炭素を担持させるのが好ましい。
【0022】
ナノ粒子Aの表面にセルロースナノファイバー由来の炭素及び水溶性炭素材料由来の炭素が担持してなる場合、セルロースナノファイバー由来の炭素の原子換算量及び水溶性炭素材料由来の炭素の原子換算量の合計、すなわちセルロースナノファイバー由来の炭素の担持量及び水溶性炭素材料由来の炭素の担持量の合計は、かかる炭素の担持量を含めたナノ粒子Aの全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%~5.0質量%であり、より好ましくは0.1質量%~4.0質量%であり、さらに好ましくは0.2質量%~3.0質量%、よりさらに好ましくは0.5質量%~2.0質量%である。
【0023】
なお、ナノ粒子A中に存在するセルロースナノファイバー由来の炭素の原子換算量(担持量)、及び水溶性炭素材料由来の炭素の原子換算量(担持量)は、炭素・硫黄分析装置を用いた測定により求められる値を意味する。
また、ナノ粒子Aが、その表面にセルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素を担持してなる場合、ナノ粒子Aとしての量は、これらの炭素の担持量も含めた量とする。
【0024】
なお、ナノ粒子Aは、例えば、以下の製造方法により得ることができる。具体的には、次の工程(Ia)~(IIa):
(Ia)リチウム化合物、マンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、必要に応じてセルロースナノファイバー及び/又は水溶性炭素材料、並びに水を添加してスラリー水iを得た後、水熱反応に付して、スラリー水iiを得る工程
(IIa)得られたスラリー水iiをろ過した後、水で洗浄し、乾燥して、ナノ粒子Aを得る工程
を備える製造方法である。
【0025】
上記工程(Ia)は、リチウム化合物、マンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、必要に応じてセルロースナノファイバー及び/又は水溶性炭素材料、並びに水を添加してスラリー水iを得た後、水熱反応に付して、スラリー水iiを得る工程である。
用いるリチウム化合物としては、水酸化物(例えばLiOH・H2O、LiOH)、炭酸塩、酢酸塩、硝酸塩が挙げられる。なかでも、水酸化物が好ましい。
マンガン化合物としては、酢酸マンガン、硝酸マンガン、酸化マンガン等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、酸化マンガンが好ましい。
なお、これらリチウム化合物、及びマンガン化合物とともに、金属化合物として、マンガン化合物及び鉄化合物以外の金属(M1)化合物を用いてもよい。
【0026】
リン酸化合物としては、オルトリン酸(H3PO4、リン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム等が挙げられる。なかでもリン酸を用いるのが好ましく、70質量%~90質量%濃度の水溶液として用いるのが好ましい。
ナノ粒子Aの表面に、セルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素を担持させる場合には、さらに上記セルロースナノファイバー及び/又は水溶性炭素材料を用いればよい。
【0027】
なお、スラリー水iは、目的とするナノ粒子Aの組成に応じ、適宜リチウム化合物、マンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、並びにリン酸化合物等の使用量を決定し、通常の方法にしたがって調製すればよい。
【0028】
次いで、得られたスラリー水iを水熱反応に付して、スラリー水iiを得る。
水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、金属化合物の溶解性、撹拌の容易性、及び合成の効率等の観点から、スラリー水i中に含有されるリン酸イオン1モルに対し、好ましくは10モル~50モルであり、より好ましくは12.5モル~45モルである。
【0029】
水熱反応は、100℃以上であればよく、130℃~200℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、130℃~200℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.3MPa~1.6MPaであるのが好ましく、140℃~160℃で反応を行う場合の圧力は0.3MPa~0.6MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は0.1時間~48時間が好ましく、さらに0.2時間~24時間が好ましい。
【0030】
上記工程(IIa)は、得られたスラリー水iiをろ過した後、水で洗浄し、乾燥して、ナノ粒子Aを得る工程である。乾燥手段としては、凍結乾燥、真空乾燥が用いられる。
【0031】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子を形成してなるナノ粒子Bは、下記式(b):
LiM2 aMnb4 ・・・(b)
(式(b)中、M2はNi、Co、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、Cu、及びSiから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a及びbは、0≦a≦0.1、0<b≦2、及び(M2の価数)×a+(Mnの価数)×b=7を満たす数を示す。)
で表され、かつ平均粒径が100nm~200nmである。
【0032】
上記式(b)で表されるナノ粒子Bは、スピネル構造を有する粒子である。上記ナノ粒子Aとともに、かかる極微細なナノ粒子Bが特定の質量比を保持しながら本発明の複合体粒子を形成してなることにより、飛躍的にサイクル特性を向上させることができる。
【0033】
上記式(b)で表されるナノ粒子Bとしては、具体的には、LiMn24、LiNi0.5Mn1.54、LiCoMnO4、LiCrMnO4、LiFeMnO4、LiAlMnO4、LiCu0.5Mn1.54を用いることができる。なかでも、LiMn24が好ましい。
【0034】
ナノ粒子Bの平均粒径は、優れたサイクル特性を確保する観点、及びハンドリングの観点から、100nm~200nmであって、好ましくは110nm~190nmであり、より好ましくは120nm~180nmであり、さらに好ましくは130nm~170nmであり、またさらに好ましくは135nm~165nmである。
ここで、ナノ粒子Bにおける「平均粒径」とは、SEM(JSM-7001F、日本電子社製)において観察される粒子100個の平均粒径を意味する。
【0035】
なお、ナノ粒子Bは、例えば、以下の製造方法により得ることができる。具体的には、次の工程(Ib)~(IIb):
(Ib)リチウム化合物、及びマンガン化合物を混合し、250℃~500℃の温度で焼成して予備粒子bを得る工程
(IIb)得られた予備粒子bを還元雰囲気又は不活性雰囲気にて500℃~750℃の温度で焼成して、ナノ粒子Bを得る工程
を備える製造方法である。
【0036】
上記(Ib)は、リチウム化合物、及びマンガン化合物を混合し、250℃~500℃の温度で焼成して予備粒子bを得る工程である。
【0037】
リチウム化合物としては、上記ナノ粒子Aと同様のものを用い得るが、なかでも水酸化物、硝酸塩が好ましい。
マンガン化合物としては、上記ナノ粒子Aと同様のものを用い得る。
なお、これらリチウム化合物、及びマンガン化合物とともに、これらの化合物以外の金属(M2)化合物を用いてもよい。
【0038】
これらリチウム化合物、マンガン化合物等の使用量は、目的とするナノ粒子Bの組成に応じて適宜を決定し、通常の方法にしたがって混合すればよい。
【0039】
次いで、250℃~500℃の温度で焼成して予備粒子bを得る。このように、工程(IIb)における焼成温度よりも低温での焼成とし、続く工程(IIb)において高温での焼成に付すという二段階の焼成工程を経ることにより、所望の平均粒径を有する結晶度の高い極微細なナノ粒子Bを得ることができる。
【0040】
焼成温度は、250℃~500℃であって、260℃~490℃が好ましく、270℃~480℃がより好ましい。焼成時間は、0.2時間~24時間が好ましく、0.5時間~15時間がより好ましく、さらに1時間~12時間が好ましい。焼成雰囲気は、大気雰囲気とするのが好ましい。
【0041】
上記(IIb)は、工程(Ib)で得られた予備粒子bを還元雰囲気又は不活性雰囲気にて500℃~750℃の温度で焼成して、ナノ粒子Bを得る工程である。
焼成温度は、500℃~750℃であって、好ましくは520℃~730℃であり、より好ましくは540℃~710℃である。焼成時間は、12時間~36時間が好ましく、14時間~30時間がより好ましく、さらに16時間~24時間が好ましい。
【0042】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子は、ナノ粒子A及びナノ粒子Bにより形成されてなる複合体粒子である。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子において、ナノ粒子Aとナノ粒子Bとの質量比(A:B)は、ナノ粒子Aとナノ粒子Bとが緻密に絡み合いながら複合化して、効果的にサイクル特性を高める観点から、3:97~45:55であって、好ましくは5:95~44:56であり、より好ましくは7:93~42:58であり、さらに好ましくは9:91~40:60である。
【0043】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子は、ナノ粒子A及びナノ粒子Bのほか、その他の粒子として、リン酸マンガンリチウム又はリン酸鉄リチウムを含んでいてもよく、これらナノ粒子A、ナノ粒子B、及びその他の粒子により形成されてなる複合体粒子であってもよい。
【0044】
かかるリン酸マンガンリチウム又はリン酸鉄リチウムとしては、具体的には、LiMnPO4、LiMn0.9Mg0.1PO4、LiMn0.97Zr0.03PO4、Li1.2Mn0.9PO4、Li0.6Mn1.2PO4、LiFePO4、LiFe0.9Mg0.1PO4、LiFe0.97Zr0.03PO4、Li1.2Fe0.9PO4、Li0.6Fe1.2PO4等が挙げられる。なかでもLiMnPO4、LiFePO4が好ましい。
【0045】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子100質量%中におけるナノ粒子A及びナノ粒子Bの合計量は、好ましくは95質量%~100質量%であり、より好ましくは96質量%~100質量%であり、さらに好ましくは97質量%~100質量%である。
なお、上記その他の粒子は、その残部として含むことができる。
【0046】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子の平均粒径は、ナノ粒子A及びナノ粒子Bが緻密に複合化してなる複合体粒子であることにより、効果的にサイクル特性を高める観点から、好ましくは8μm~50μmであり、より好ましくは9μm~40μmであり、さらに好ましくは9.5μm~30μmである。
ここで、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子における「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるD50値(累積50%での粒径(メジアン径))を意味する。
【0047】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子は、上記ナノ粒子A及びナノ粒子Bを、ナノ粒子Aとナノ粒子Bとの質量比(A:B)で3:97~45:55にて含む造粒体の焼成物である。かかるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子は、例えば、以下の製造方法により得ることができる。具体的には、次の工程(Ix)~(IIx):
(Ix)ナノ粒子A、ナノ粒子B、必要に応じて上記その他の粒子、及び水を添加してスラリー水i’を得た後、噴霧乾燥に付して造粒体Xを得る工程
(IIx)得られた造粒体Xを還元雰囲気又は不活性雰囲気で焼成して、複合体粒子を得る工程
を備える製造方法である。
【0048】
上記(Ix)は、ナノ粒子A、ナノ粒子B、必要に応じて上記その他の粒子、及び水を添加してスラリー水i’を得た後、噴霧乾燥に付して造粒体Xを得る工程である。上記ナノ粒子A及びナノ粒子Bについては、上記質量比(A:B)を満たすような量に適宜調整すればよい。
スラリー水i’の固形分濃度は、好ましくは5質量%~30質量%であり、より好ましくは5質量%~25質量%である。
【0049】
噴霧乾燥では、用いる装置に応じて適宜運転条件を設定すればよい。
例えば、4流体ノズルを備えたマイクロミストドライヤー(藤崎電気(株)製 MDL-050M)での処理条件としては、熱風温度が110℃~300℃であるのが好ましく、150℃~250℃であるのがより好ましい。また、熱風の供給量とスラリー水の供給量の容積比(熱風の供給量/スラリー水の供給量)が、500~10000であるのが好ましく、1000~9000であるのがより好ましい。
【0050】
上記(IIx)は、上記工程(Ix)で得られた造粒体Xを還元雰囲気又は不活性雰囲気で焼成して、本発明の複合体粒子を得る工程である。
焼成温度は、好ましくは500℃~750℃であり、より好ましくは550℃~700℃であり、焼成時間は、好ましくは0.3時間~3時間であり、より好ましくは0.5時間~2時間である。
【0051】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子を正極材料として適用し、正極と負極と電解液とセパレータ、又は正極と負極と固体電解質を必須構成とするリチウムイオン二次電池を構築することができる。具体的には、例えば本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子と、アセチレンブラックやケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデン、N-メチル-2-ピロリドン等とを混練して正極スラリーを調製した後、集電体に塗工し、次いでプレス成形して正極を作製する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子であれば、上記極微細なナノ粒子Aと極微細なナノ粒子Bから形成されてなり、これらナノ粒子Aとナノ粒子Bとが限られた質量比を保持しながら緻密に複合化してなることから、効果的に電極密度を増大させて、サイクル特性を有効に高め得る有用性の高い正極を得ることができる。
【0052】
ここで、負極については、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。たとえば、リチウム金属、グラファイト、シリコン系(Si、SiOx)、チタン酸リチウム又は非晶質炭素等の炭素材料等を用いることができる。そしてリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得るインターカレート材料で形成された電極、特に炭素材料を用いることが好ましい。さらに、2種以上の上記の負極材料を併用してもよく、たとえばグラファイトとシリコン系の組み合わせを用いることができる。
【0053】
電解液は、有機溶媒に支持塩を溶解させたものである。有機溶媒は、通常リチウムイオン二次電池の電解液に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。
【0054】
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSO3CF3、LiC(SO3CF32及びLiN(SO3CF32、LiN(SO2252及びLiN(SO2CF3)(SO249)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。
【0055】
セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものである。たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いればよい。
【0056】
固体電解質は、正極及び負極を電気的に絶縁し、高いリチウムイオン電導性を示すものである。たとえば、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO43、Li7La3Zr212、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li2.9PO3.30.46、Li3.6Si0.60.44、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO43、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO43、Li10GeP212、Li3.25Ge0.250.754、30Li2S・26B23・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・30P25、50Li2S・50GeS2、Li7311、Li3.250.954を用いればよい。
【0057】
上記の構成を有するリチウムイオン二次電池の形状としては、特に制限を受けるものではなく、コイン型、円筒型、角型等種々の形状や、ラミネート外装体に封入した不定形状であってもよい。
【実施例0058】
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0059】
[製造例1:ナノ粒子A-1の製造]
LiOH・H2O 1272g、及び水4Lを混合してスラリー水i1を得た。次いで、得られたスラリー水i1を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液1153gを35mL/分で滴下し、続いてセルロースナノファイバー(Wma-10002、スギノマシン社製、繊維径4~20nm)6481gを添加して、速度400rpmで12時間撹拌して、Li3PO4を含むスラリー水i2を得た。得られたスラリー水i2に窒素パージして、スラリー水i2の溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、スラリー水i2'全量に対し、MnSO4・5H2O 964g、FeSO4・7H2O 1668gを添加してスラリー水i3を得た。添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、40:60であった。
次いで、得られたスラリー水i3をオートクレーブに投入し、200℃で5時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は1.6MPaであった。水熱反応後、生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を-50℃で12時間凍結乾燥して、ナノ粒子A-1(LiMn0.4Fe0.6PO4、炭素の担持量=1.1質量%、平均粒径:188nm)を得た。
【0060】
[製造例2:ナノ粒子A-2の製造]
セルロースナノファイバーを5892g添加し、MnSO4・5H2Oを1446g、FeSO4・7H2Oを1112g添加し、かつ水熱反応を180℃で3時間行った以外、製造例1と同様にして、ナノ粒子A-2(LiMn0.6Fe0.4PO4、炭素の担持量=1.0質量%、平均粒径:122nm)を得た。
【0061】
[製造例3:ナノ粒子A-3の製造]
セルロースナノファイバーを6481g添加し、MnSO4・5H2Oを1928g、FeSO4・7H2Oを556g添加し、かつ水熱反応を140℃で1時間行った以外、製造例1と同様にして、ナノ粒子A-3(LiMn0.8Fe0.2PO4、炭素の担持量=1.1質量%、平均粒径:63nm)を得た。
【0062】
[製造例4:ナノ粒子A-4の製造]
セルロースナノファイバーを4713g添加し、MnSO4・5H2Oを1446g、FeSO4・7H2O 1112gを添加し、かつ水熱反応を140℃で0.4時間行った以外、製造例1と同様にして、ナノ粒子A-4(LiMn0.6Fe0.4PO4、炭素の担持量=0.8質量%、平均粒径:44nm)を得た。
【0063】
[製造例5:ナノ粒子A-5の製造]
セルロースナノファイバーを7070g添加し、MnSO4・5H2Oを723g、FeSO4・7H2Oを1946g添加し、かつ水熱反応を180℃で3時間行った以外、製造例1と同様にして、ナノ粒子A-5(LiMn0.3Fe0.7PO4、炭素の担持量=1.2質量%、平均粒径:124nm)を得た。
【0064】
[製造例6:ナノ粒子A-6の製造]
セルロースナノファイバーを5892g添加し、MnSO4・5H2Oを2169g、FeSO4・7H2Oを278g添加し、かつ水熱反応を180℃で3時間行った以外、製造例1と同様にして、ナノ粒子A-6(LiMn0.9Fe0.1PO4、炭素の担持量=1.0質量%、平均粒径:123nm)を得た。
【0065】
[製造例7:ナノ粒子B-1の製造]
Mn:Liのモル比が2:1となるように、二酸化マンガン348gと水酸化リチウム一水和物84gをボールミルで混合及び解砕した後、大気雰囲気下において470℃×12時間仮焼成して解砕した。次いで、不活性雰囲気下において700℃×20時間本焼成し、粒子B-1(LiMn24、平均粒径150nm)を得た。
【0066】
【表1】
【0067】
[実施例1、3、比較例3、4]
表2に示す配合にしたがい、ナノ粒子A及びナノ粒子Bの合計量が1500gとなるようそれぞれ分取し、これに水1Lを添加して、スラリー水i’1を得た。得られたスラリー水i’1を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL-050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライ(ノズルエアー流量35L/min、給気温度190℃)に付して造粒体X1を得た。
得られた造粒体X1を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)にて700℃で1時間焼成して、正極活物質複合体粒子を得た。
【0068】
[実施例2、比較例1]
表2に示す配合にしたがい、ナノ粒子A及びナノ粒子Bの合計量が1500gとなるようそれぞれ分取し、これに水1Lを添加して、スラリー水i’2を得た。得られたスラリー水i’2を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL-050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライ(ノズルエアー流量30L/min、給気温度190℃)に付して造粒体X2を得た。
得られた造粒体X2を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)にて700℃で1時間焼成して、正極活物質複合体粒子を得た。
【0069】
[実施例4]
表2に示す配合にしたがい、ナノ粒子A及びナノ粒子Bの合計量が1500gとなるようそれぞれ分取し、これに水1Lを添加して、スラリー水i’3を得た。得られたスラリー水i’3を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL-050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライ(ノズルエアー流量43L/min、給気温度190℃)に付して造粒体X3を得た。
得られた造粒体X3を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)にて700℃で1時間焼成して、正極活物質複合体粒子を得た。
【0070】
[実施例5、比較例2]
表2に示す配合にしたがい、ナノ粒子A及びナノ粒子Bの合計量が1500gとなるようそれぞれ分取し、これに水1Lを添加して、スラリー水i’4を得た。得られたスラリー水i’4を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL-050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライ(ノズルエアー流量45L/min、給気温度190℃)に付して造粒体X4を得た。
得られた造粒体X4を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)にて700℃で1時間焼成して、正極活物質複合体粒子を得た。
【0071】
《電池特性(サイクル特性)の評価》
得られた各正極活物質複合体粒子を正極材料として用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた各正極活物質複合体粒子、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比90:5:5の配合割合で混合し、これにN-メチル-2-ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
【0072】
次いで、上記正極を用いてコイン型二次電池を構築した。負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、高分子多孔フィルムを用いた。これらの電池部品を露点が-50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型二次電池(CR-2032)を得た。
【0073】
得られたコイン型二次電池を用い、放電容量測定装置(HJ-1001SD8、北斗電工社製)にて気温30℃環境での1Cにて充放電を100回繰り返し、放電容量(mAh/g)を求めて下記式(x)によるサイクル特性の値(容量維持率(%))を求めた。
サイクル特性
=(100サイクル後の放電容量)/(1サイクル後の放電容量)×100
・・・(x)
結果を表2に示す。
【0074】
【表2】