特許 7609103 ＦｅＯＨＳＯ４粒子の製造方法、リチウムイオン二次電池用の正極活物質、及びリチウムイオン二次電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-23

(45)【発行日】2025-01-07

(54)【発明の名称】ＦｅＯＨＳＯ４粒子の製造方法、リチウムイオン二次電池用の正極活物質、及びリチウムイオン二次電池

(51)【国際特許分類】

   C01G 49/14 20060101AFI20241224BHJP

   H01M 4/58 20100101ALI20241224BHJP

【ＦＩ】

C01G49/14

H01M4/58

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022044264

(22)【出願日】2022-03-18

(65)【公開番号】P2023137856

(43)【公開日】2023-09-29

【審査請求日】2023-10-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(74)【代理人】

【識別番号】100208225

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 修二郎

(72)【発明者】

【氏名】川島 奨平

【審査官】佐藤 慶明

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０３４４１２７２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１７１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１７１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０００５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２５８５１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】M. ANJI REDDY et al.，“Monoclinic iron hydroxy sulphate: A new route to electrode materials”，Electrochemistry Communications，2009年07月21日，Vol. 11, No. 9，p.1807-1810，DOI: 10.1016/j.elecom.2009.07.024

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｇ ４９／１４

Ｈ０１Ｍ ４／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

硫酸鉄の水和物を、０．５℃／分以下の昇温速度かつ４００℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造方法。

【請求項2】

前記硫酸鉄の水和物は、硫酸鉄七水和物である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記焼成する工程は、前記最高到達温度まで昇温した後に１０時間～３００時間温度を維持することを含む、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記最高到達温度は、１００℃～３００℃の範囲内の温度である、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記焼成する工程を大気雰囲気下で行う、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記ＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定において、３４．５°≦２θ≦３５．５°のピーク強度（Ｉ_ａ）に対する３３．５°≦２θ＜３４．５°のピーク強度（Ｉ_ｂ）の比（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３０未満である、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記ＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造方法、リチウムイオン二次電池用の正極活物質、及びリチウムイオン二次電池に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、一般式ＦｅＯＨＳＯ_４で表わされる組成を有し、粒子径が７００ｎｍ以下であることを特徴とする、リチウム二次電池用正極活物質を開示している。

【0003】

特許文献２は、一般式Ｆｅ_１－ｘＭ_ｘＯＨＳＯ_４（式（１）中、ＭはＦｅ以外の遷移金属元素であり、ｘは、０＜ｘ＜１を満たす数である。）で表わされる組成を有することを特徴とする、リチウム二次電池用正極活物質、及び該正極活物質を含む正極を備えるリチウム二次電池を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－１７１５７号公報

【文献】特開２０１４－１７１５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

リチウムイオン電池において、電池容量を向上させることが求められている。

【0006】

リチウムイオン電池に用いられる正極活物質として、一般式ＦｅＯＨＳＯ_４で表される組成を有する正極活物質が知られている。

【0007】

本開示は、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造方法、電池容量が向上した正極活物質としてのＦｅＯＨＳＯ_４粒子、及び電池容量が向上したリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
《態様１》
硫酸鉄の水和物を、３．０℃／分以下の昇温速度かつ４００℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造方法。
《態様２》
前記硫酸鉄の水和物は、硫酸鉄七水和物である、態様１に記載の方法。
《態様３》
前記焼成する工程は、前記最高到達温度まで昇温した後に１０時間～３００時間温度を維持することを含む、態様１又は２に記載の方法。
《態様４》
前記最高到達温度は、１００℃～３００℃の範囲内の温度である、態様３に記載の方法。
《態様５》
前記焼成する工程を大気雰囲気下で行う、態様１～４のいずれか一つに記載の方法。
《態様６》
前記ＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定において、３４．５°≦２θ≦３５．５°のピーク強度（Ｉ_ａ）に対する３３．５°≦２θ＜３４．５°のピーク強度（Ｉ_ｂ）の比（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３０未満である、態様１～５のいずれか一つに記載の方法。
《態様７》
前記ＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である、態様１～６のいずれか一つに記載の方法。
《態様８》
一般式ＦｅＯＨＳＯ_４で示される組成を有し、かつＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定において、３４．５°≦２θ≦３５．５°のピーク強度（Ｉ_ａ）に対する３３．５°≦２θ＜３４．５°のピーク強度（Ｉ_ｂ）の比（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３０未満である、リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
《態様９》
正極活物質層が、態様８に記載の正極活物質を含有している、リチウムイオン二次電池。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造方法、電池容量が向上した正極活物質としてのＦｅＯＨＳＯ_４粒子、及び電池容量が向上したリチウムイオン二次電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示の第１の実施形態に従うリチウムイオン二次電池１の模式図である。

【図2】図２は、実施例１、実施例５、及び比較例１のＦｅＯＨＳＯ_４粒子のＸ線結晶回折（ＸＲＤ）スペクトルを示すグラフである。

【図3】図３はＩ_ｂ／Ｉ_ａとリチウムイオン二次電池の放電容量との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

【0012】

《ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造方法》
本開示の製造方法は、硫酸鉄の水和物を、３．０℃／分以下の昇温速度かつ４００℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造方法である。

【0013】

本開示の方法により製造されるＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、高い放電容量を有する正極活物質として使用することができる。

【0014】

原理によって限定されないが、本開示の製造方法により製造されるＦｅＯＨＳＯ_４粒子が高い放電容量を有するのは、以下の理由による。

【0015】

ＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、硫酸鉄の水和物、例えば硫酸鉄七水和物を焼成することにより得ることができる。この焼成の際に硫酸鉄の水和物の脱水和が起こり、一部のＯＨがＦｅＳＯ_４の結晶内に取り込まれることで、ＦｅＯＨＳＯ_４が生成する。しかしながら、焼成の条件によっては急激な脱溶媒和反応が進行し、ＯＨがＦｅＳＯ_４の結晶内に十分に取り込まれず、無水物であるＦｅＳＯ_４が生成しやすい。

【0016】

ＦｅＳＯ_４の生成は、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の放電容量を減少させる。

【0017】

本開示の製造方法では、硫酸鉄の水和物を３℃／分以下の昇温速度かつ４００℃以下の最高到達温度で焼成する。これにより、ＯＨのＦｅＳＯ_４の結晶内への侵入が促進される。すなわち、ＦｅＳＯ_４の生成が抑制される。

【0018】

したがって、本開示の製造方法により製造されるＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、高い放電容量を有する。

【0019】

〈硫酸鉄の水和物〉
本開示の製造方法は、硫酸鉄の水和物を所定の条件で焼成することを含む。

【0020】

硫酸鉄の水和物は、例えば硫酸鉄七水和物であることができる。硫酸鉄七水和物は、一般式ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏで表すことができる。

【0021】

〈焼成工程〉
本開示の製造方法は、３．０℃／分以下の昇温速度かつ４００℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む。

【0022】

焼成工程における昇温速度は、３．０℃／分以下である。

【0023】

昇温速度が３．０℃／分以下であると、焼成時にＯＨのＦｅＳＯ_４の結晶内への侵入が促進され、無水物であるＦｅＳＯ_４の生成が抑制される。

【0024】

昇温速度は、３．０℃／分以下、２．０℃／分以下、１．５℃／分以下、１．０℃／分以下、又は０．５℃／分以下であってよく、０．０℃／分超、０．１℃／分以上、０．５℃／分以上、１．０℃／分以上、又は１．５℃／分以上であってよい。

【0025】

焼成工程における昇温の開始温度は特に限定されないが、例えば常温、即ち２５℃から開始してよい。

【0026】

焼成工程における最高到達温度は、４００℃以下である。最高到達温度は、硫酸鉄の水和物が焼成して脱水和反応が起こる温度であればよく、より具体的には、例えば１００℃～４００℃の範囲内の温度であってよい。最高到達温度は、１００℃以上、１５０℃以上、２００℃以上、又は２５０℃以上であってよく、４００℃以下、３００℃以下、２９０℃以下、２８０℃以下、又は２７０℃以下であってよい。最高到達温度は、１００℃～３００℃の範囲内の温度であってよい。

【0027】

焼成工程では、最高到達温度まで昇温した後に、一定時間、例えば１０時間～３００時間、温度を最高到達温度に維持することを含んでよい。

【0028】

最高到達温度を維持する時間は、１０時間以上、２５時間以上、５０時間以上、７５時間以上、又は９０時間以上であってよく、３００時間以下、２５０時間以下、２００時間以下、１５０時間以下、又は１２５時間であってよい。

【0029】

焼成工程は、例えば大気雰囲気下で行ってよい。

【0030】

〈ＦｅＯＨＳＯ_４粒子〉
本開示の製造方法によって製造されるＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定において、３４．５°≦２θ≦３５．５°のピーク強度（Ｉ_ａ）に対する３３．５°≦２θ＜３４．５°のピーク強度（Ｉ_ｂ）の比（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３未満であることができる。

【0031】

なお、３４．５°≦２θ≦３５．５°のピーク強度（Ｉ_ａ）は、３４．５°≦２θ≦３５．５°で確認されるピークの最大値である。同様に、３３．５°≦２θ＜３４．５°のピーク強度（Ｉ_ｂ）は、３３．５°≦２θ＜３４．５°で確認されるピークの最大値である。

【0032】

ここで、「Ｉ_ａ」は、ＦｅＯＨＳＯ_４の結晶面方位（－１２２）由来のピークである。また、「Ｉ_ｂ」は、ＦｅＳＯ_４の結晶面方位（２００）由来のピークである。

【0033】

（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が小さいことは、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子中におけるＦｅＯＨＳＯ_４構造に対するＦｅＳＯ_４構造が少ないことを意味している。

【0034】

（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３０未満であるＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、正極活物質として高い放電容量を有する。特に、（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３０未満の範囲では、（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３０以上である範囲と比較して、（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が小さくなるにつれて放電容量が特に増加する傾向にある。

【0035】

（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）は、０．４３０未満～０．０００以上であってよい。（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）は、０．４３０未満、０．４２０以下、０．３００以下、０．２５０以下、又は０．１００以下であってよく、０．０００以上、０．００１以上、０．００５以上、又は０．０１０以上、であってよい。

【0036】

本開示の製造方法によって製造されるＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質として用いた際に、高い放電容量を有する。したがって、本開示の製造方法によって製造されるＦｅＯＨＳＯ_４粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質に特に適している。

【0037】

《正極活物質》
本開示の正極活物質は、一般式ＦｅＯＨＳＯ_４で示される組成を有し、かつＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定において、３４．５°≦２θ≦３５．５°のピーク強度（Ｉ_ａ）に対する３３．５°≦２θ＜３４．５°のピーク強度（Ｉ_ｂ）の比（Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ）が０．４３以下である、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である。

【0038】

本開示の正極活物質は、本開示の製造方法によって製造されるＦｅＯＨＳＯ_４粒子であってよく、したがってその構成に関しては上記の「〈ＦｅＯＨＳＯ_４粒子〉」を参照することができる。

【0039】

《リチウムイオン二次電池》
本開示のリチウムイオン二次電池は、正極活物質層が本開示の正極活物質を含有している。

【0040】

本開示のリチウムイオン二次電池が液系のリチウムイオン二次電池である場合には、リチウムイオン二次電池は、例えば正極集電体層、正極活物質層、セパレータ層、負極活物質層、及び負極集電体層が、この順になるようにして非水系の電解液で満たされた外装体内に収容された構造を有していることができる。

【0041】

本開示のリチウムイオン二次電池が全固体リチウムイオン二次電池である場合には、リチウムイオン二次電池は、例えば正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層がこの順に積層された積層体が、外装体内に収容された構造を有していることができる。外装体内は、減圧されているか、又は積層体の各層を構成する成分に対して不活性な雰囲気であることができる。

【0042】

また、本開示のリチウムイオン二次電池は、負極の反応として金属リチウムの析出－溶解反応を利用した全固体電池であってもよい。

【0043】

ここで、「負極の反応として金属リチウムの析出－溶解反応を利用した全固体電池」とは、電池反応の少なくとも一部として、全固体電池の充電時に固体電解質層と負極集電体層との間において金属リチウムが析出し、かつ放電時に当該金属リチウムが溶解する、全固体電池である。このような全固体電池は、例えば充電状態において正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、金属リチウム層、及び負極集電体層をこの順に有する構造を有していることができる。

【0044】

上記のこれらのリチウムイオン二次電池において、正極集電体層、固体電解質層、セパレータ層、負極活物質層、金属リチウム層、負極集電体層、及び外装体は、それぞれそれらの種類のリチウムイオン二次電池に採用される公知のものを採用することができる。

【0045】

図１は、本開示の第１の実施形態に従う全固体二次電池の模式図である。なお、図１は、本開示のリチウムイオン二次電池を限定する趣旨ではない。

【0046】

図１に示すように、本開示の第１の実施形態に従うリチウムイオン二次電池１は、正極集電体層１１及び正極集電体層１１上に配置されている正極活物質層１２を有する正極電極体層１０、セパレータ層２０、並びに負極集電体層３１及び負極集電体層３１上に配置されている負極活物質層３２を有する負極電極体層３０が、電解液４０によって満たされている外装体１００内に収容された構造を有していることができる。ここで、正極活物質層１２は、本開示の正極活物質を含有している。なお、図１は本開示を限定する趣旨ではない。

【実施例】

【0047】

《実施例１～５、並びに比較例１及び２》
〈ＦｅＯＨＳＯ_４粒子の製造〉
以下の表１に示すように、ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏを、２５℃の開始温度から、各例に応じて所定の昇温速度で、２８０℃の最高到達温度まで昇温し、最高到達温度で１００時間維持する焼成を行うことにより、各例のＦｅＯＨＳＯ_４粒子を製造した。

【0048】

〈Ｘ線回折測定〉
得られた各例のＦｅＯＨＳＯ_４粒子に対して、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定を実施して、図２に示すようなＸ線回折スペクトルを得た。なお、図２では実施例１及び５、並びに比較例１のみが示されているが、他の例についても測定を行った。

【0049】

Ｘ線回折スペクトルに対してバックグラウンド処理を行い、３４．５°≦２θ≦３５．５°で確認されるピークの最大値をＩ_ａ、３３．５°≦θ＜３４．５°で確認されるピークの最大値をＩ_ｂとし、ピーク強度比Ｉ_ｂ／Ｉ_ａを算出した。

【0050】

算出結果を表１に示した。

【0051】

〈充放電試験〉
各例のＦｅＯＨＳＯ_４粒子を正極活物質として用いて、コイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。具体的には、次のようにして各例のコイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。

【0052】

各例のＦｅＯＨＳＯ_４粒子を、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、及びＮ－メチル－２－ピロリドンと混合して、正極活物質スラリーを調製した。なお、正極活物質スラリーにおいて、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子、アセチレンブラック、及びＰＶｄＦの比率（ｗｔ％）は、７５：２０：５であった。

【0053】

正極活物質スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔上にドクターブレード法により塗布し、８０℃で乾燥後、プレス機で圧延し、正極集電体上に目付け量３ｍｇ／ｃｍ^２、厚み１５μｍの正極活物質層を得た。

【0054】

一方、負極活物質層として、金属リチウムを準備した。

【0055】

また、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、及びエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を３：３：４（体積比）で混合した溶液に、リチウム塩（ＬｉＰＦ_６）を１ｍｏｌ／Ｌの濃度となるように溶解し、非水電解液を調製した。

【0056】

セパレータ層として、ポリプロピレン多孔質膜とポリエチレン多孔質膜との積層型多孔質フィルムを準備した。

【0057】

ステンレス箔製２０３２型コインセル容器を準備し、正極活物質層、セパレータ及び負極活物質層を、この順序で積層し、収容した。

【0058】

非水電解液を、セパレータに含浸させ、コイン型リチウム二次電池を作製した。

【0059】

なお、得られた各例のコイン型リチウム二次電池について、１４０ｍＡｈ／ｇの実容量に対して０．１Ｃで２．０Ｖの下限電圧まで定電流放電し、その後０．１Ｃで４．５Ｖの上限電圧まで定電流充電行うサイクルを３回繰り返した。

【0060】

３回目の定電流放電における放電容量を、以下の表１に示した。

【0061】

〈結果〉
各例の製造条件及び試験結果（ピーク強度比Ｉ_ｂ／Ｉ_ａ及び放電容量）を、表１に示した。また、ピーク強度比Ｉ_ｂ／Ｉ_ａと放電容量との関係を、表３に示した。

【0062】

【表1】

【0063】

表１及び図２に示すように、焼成における昇温速度がそれぞれ順に０．１℃／分、０．５℃／分、１．０℃／分、１．５℃／分及び３．０℃／分であった実施例１～５では、製造されたＦｅＯＨＳＯ_４粒子のピーク強度比Ｉ_ｂ／Ｉ_ａがそれぞれ順に０．００５、０．００４、０．０３４、０．１０１、及び０．２０３であった。このことは、ＦｅＳＯ_４の結晶面方位（２００）由来のピークよりも有意にＦｅＯＨＳＯ_４の結晶面方位（－１２２）由来のピークが大きいことを示す。また、図２を参照しても、実施例１及び５において、ＦｅＳＯ_４の結晶面方位（２００）由来のピーク、即ち３４．５°≦２θ≦３５．５°の範囲内で確認されるピークが非常に小さいことがわかる。

【0064】

これに対して、焼成における昇温速度が５．０℃／分及び１０．０／分であった比較例１及び２では、製造されたＦｅＯＨＳＯ_４粒子のピーク強度比Ｉ_ｂ／Ｉ_ａがそれぞれ０．４３０及び０．５８８であり、各実施例と比較して大きかった。また、図２を参照しても、比較例１においてＦｅＳＯ_４の結晶面方位（２００）由来の大きいピークが確認された。

【0065】

また、実施例１～５のＦｅＯＨＳＯ_４粒子を用いたコイン型リチウム二次電池の放電容量は、それぞれ順に１４２．５ｍＡｈ／ｇ、１４１．３ｍＡｈ／ｇ、１３８．５ｍＡｈ／ｇ、１３６．３ｍＡｈ／ｇ、及び１３２．９ｍＡｈ／ｇであり、いずれも高い数値を示した。

【0066】

他方、比較例１及び２のＦｅＯＨＳＯ_４粒子を用いたコイン型リチウム二次電池の放電容量は、それぞれ１１７．４ｍＡｈ／ｇ及び１１５．９ｍＡｈ／ｇであり、実施例１～５のＦｅＯＨＳＯ_４粒子を用いたコイン型リチウム二次電池の放電容量と比較して著しく低かった。

【0067】

なお、図３を参照すると、ＦｅＯＨＳＯ_４粒子のピーク強度比Ｉ_ｂ／Ｉ_ａが０．４３０を下回ると、放電容量が特に大きくなる傾向が見られた。

【符号の説明】

【0068】

１ リチウムイオン二次電池
１０ 正極電極体層
１１ 正極集電体層
１２ 正極活物質層
２０ セパレータ層
３０ 負極電極体層
３１ 負極集電体層
３２ 負極活物質層
４０ 電解液

【図1】

【図2】

【図3】