JP2006269350A - Manufacturing method of positive electrode active material for lithium battery, positive electrode active material for lithium battery and lithium battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム電池用正極活物質の製造方法及びリチウム電池用正極活物質並びにリチウム電池に関し、更に詳しくは、水熱合成法によりリチウム電池用正極活物質を連続して製造する際に、水熱合成反応の形態に応じてリチウム電池用正極活物質の析出条件を適宜調製することにより、リチウム電池用正極活物質の形状及び粒径の最適化が可能な技術に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a lithium battery, a positive electrode active material for a lithium battery, and a lithium battery, and more specifically, when a positive electrode active material for a lithium battery is continuously produced by a hydrothermal synthesis method. The present invention relates to a technique capable of optimizing the shape and particle size of a positive electrode active material for a lithium battery by appropriately adjusting the deposition conditions of the positive electrode active material for a lithium battery according to the form of the thermal synthesis reaction.
近年、携帯用電子機器やハイブリット自動車等に用いるための電池として二次電池の開発が進められている。
代表的な二次電池としては鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、リチウム電池等が知られているが、特に、リチウム電池は、小型化、軽量化、高容量化が可能であり、しかも、高出力、高エネルギー密度を有していることから、大いに期待されており、研究も盛んに行われている。
このリチウム電池は、リチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な活物質を有する正極と、負極と、非水系の電解質により構成されている。
In recent years, secondary batteries have been developed as batteries for use in portable electronic devices, hybrid automobiles, and the like.
As typical secondary batteries, lead storage batteries, alkaline storage batteries, lithium batteries, and the like are known. In particular, lithium batteries can be reduced in size, weight, and capacity, and have high output and high capacity. Due to its energy density, it is highly anticipated and is actively researched.
This lithium battery includes a positive electrode having an active material capable of reversibly inserting and removing lithium ions, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte.
この正極自体は、正極活物質、導電助剤およびバインダーを含む電極材料により構成され、この電極材料を集電体と呼ばれる金属箔の表面に塗布することにより正極とされている。
この正極活物質としては、金属酸化物、金属硫化物、あるいはポリマー等が用いられ、例えば、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、セレン化ニオブ(NbSe2)、酸化バナジウム(V2O5)等のリチウム非含有化合物、あるいはLiMO2(M=Co、Ni、Mn、Fe等)、LiMn2O4等のリチウム複合酸化物等が知られている。
The positive electrode itself is composed of an electrode material containing a positive electrode active material, a conductive additive, and a binder, and is formed into a positive electrode by applying this electrode material to the surface of a metal foil called a current collector.
As the positive electrode active material, a metal oxide, a metal sulfide, a polymer, or the like is used. For example, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), niobium selenide (NbSe 2 ), vanadium oxide (V Lithium-free compounds such as 2 O 5 ) or lithium composite oxides such as LiMO 2 (M = Co, Ni, Mn, Fe, etc.) and LiMn 2 O 4 are known.
従来、リチウム電池の正極活物質としては、高エネルギー密度で高電圧の電池を構成することが可能であることから、コバルト酸リチウム(LiCoO2)が一般的に用いられてきた。
しかしながら、Coは、地球上に偏在しかつ希少な資源であるため、コストが高くつく他、安定供給が難しいという問題があり、そこで、Coに替わる資源として、地球上に豊富に存在し、しかも安価なNiやMnをベースにした正極活物質、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等を用いた正極材料が提案され、実用に供されるようになった。
Conventionally, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) has been generally used as a positive electrode active material for lithium batteries because it is possible to form a battery having a high energy density and a high voltage.
However, since Co is unevenly distributed on the earth and is a scarce resource, there are problems that it is costly and that stable supply is difficult, so there are abundant resources on the earth as an alternative to Co. Positive electrode materials using inexpensive positive electrode active materials based on Ni or Mn, for example, lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), etc., have been proposed and put into practical use. It was.
しかしながら、LiNiO2を用いた正極材料は、理論容量が大きく、かつ高放電電位を有するという長所があるものの、充放電サイクルが繰り返されることに伴ってLiNiO2の結晶構造が崩壊してしまい、その結果、放電容量が低下したり、熱安定性が劣化したり等の問題点が生じていた。
一方、LiMn2O4は、正スピネル型構造を有し、かつ空間群Fd3mを有することから、リチウム電極に対し4V級というLiCoO2と同等の高い電位を有し、しかも、合成が容易、高い電池容量等の優れた特徴を有するために、非常に有望な材料として注目され、実用化もされてきた。
このLiMn2O4は、この様に優れた材料ではあるが、このLiMn2O4を用いた電池では、高温保存時における容量劣化が大きく、また、Mnが電解液に溶解してしまうこともあり、したがって、安定性や充放電サイクル特性が充分でないという問題点が残されていた。
However, although the positive electrode material using LiNiO 2 has the advantages of a large theoretical capacity and a high discharge potential, the crystal structure of LiNiO 2 collapses as the charge / discharge cycle is repeated. As a result, problems such as a decrease in discharge capacity and deterioration in thermal stability have occurred.
On the other hand, since LiMn 2 O 4 has a positive spinel structure and has a space group Fd3m, it has a high potential equivalent to 4V class LiCoO 2 with respect to the lithium electrode, and is easy to synthesize and high. Since it has excellent characteristics such as battery capacity, it has attracted attention as a very promising material and has been put into practical use.
Although this LiMn 2 O 4 is such an excellent material, the battery using this LiMn 2 O 4 has a large capacity deterioration during high-temperature storage, and Mn may be dissolved in the electrolyte. Therefore, there remains a problem that stability and charge / discharge cycle characteristics are not sufficient.
そこで、オリビン構造を有するFe、Mn、Co、Ni等の遷移金属のリン酸化合物を正極活物質として用いたリチウム電池が提案され(特許文献1参照)、このオリビン構造を有する遷移金属のリン酸化合物として、資源的に豊富かつ安価な金属であるFeを用いたLiFePO4を正極活物質として用いたリチウム電池が提案されている(特許文献2参照)。
このLiFePO4は、金属リチウム(Li)に対して3.3V程度の電位を示し、充放電可能な正極材料として用いることが可能である。
リチウム遷移金属リン酸塩のようなリン酸塩系物質は、従来、いわゆる固相法が用いられていたが、最近では、水熱合成法で各種有機酸を用いることにより、遷移金属のリン酸化合物の微結晶を得る方法も提案されている(特許文献3参照)。
This LiFePO 4 exhibits a potential of about 3.3 V with respect to metallic lithium (Li), and can be used as a chargeable / dischargeable positive electrode material.
Phosphate-based materials such as lithium transition metal phosphates have conventionally used the so-called solid-phase method, but recently, by using various organic acids in the hydrothermal synthesis method, phosphoric acid of transition metals has been used. A method for obtaining compound crystallites has also been proposed (see Patent Document 3).
しかしながら、従来のリチウム遷移金属リン酸塩のようなリチウム金属リン酸化合物は、固相法により合成されているために、不活性ガス雰囲気下での焼成と粉砕を繰り返す必要があり、複雑な操作が必要になるという問題点があった。
また、固相法では、粒子径を小さくするには、より低温かつ短時間で焼成するのがよいのであるが、この場合、合成時の焼成温度が低いために合成時の結晶化度や粒径を制御することが難しく、得られるリチウム金属リン酸化合物は小さな結晶子が無秩序に並んだ構造を有するものとなる。したがって、リチウム金属リン酸化合物の結晶相は十分に生成・発達せず、結晶性も低いものとなり、粒子内のイオンの拡散性や電子伝導性が悪く、充放電時の分極が大きくなるという問題点があった。
However, since lithium metal phosphate compounds such as conventional lithium transition metal phosphates are synthesized by the solid phase method, it is necessary to repeat firing and pulverization in an inert gas atmosphere, which is a complicated operation. There was a problem that it was necessary.
In the solid phase method, in order to reduce the particle size, it is better to fire at a lower temperature and in a shorter time. In this case, since the firing temperature at the time of synthesis is low, the crystallinity and grain size at the time of synthesis are reduced. It is difficult to control the diameter, and the obtained lithium metal phosphate compound has a structure in which small crystallites are arranged randomly. Therefore, the crystal phase of the lithium metal phosphate compound is not sufficiently generated / developed, the crystallinity is low, the diffusibility of ions in the particles and the electron conductivity are poor, and the polarization during charge / discharge increases. There was a point.
また、粒子径を小さくする方法として焼成後に粉砕する方法もあるが、この方法では、十分小さな粒子径にまで粉砕することができず、また、粉砕中に粒子自体に過度の力が掛かるために、歪や割れが生じ、結晶性も低下する。したがって、この方法で得られたリチウム金属リン酸化合物をリチウム電池に用いた場合、充放電によるリチウムイオンの挿入脱離に伴い、活物質の体積変化が起こり、これが繰り返されることで粒子に亀裂が入り、さらに亀裂が進行して粒子が破壊され、微細化されることとなり、その結果、粒子内のイオン拡散性及び粒子間のインピーダンスが増加し、放電時の分極が大きくなるという問題点があった。 In addition, there is a method of pulverizing after firing as a method of reducing the particle size, but this method cannot pulverize to a sufficiently small particle size, and excessive force is applied to the particles themselves during pulverization. , Distortion and cracking occur, and crystallinity also decreases. Therefore, when the lithium metal phosphate compound obtained by this method is used in a lithium battery, the volume change of the active material occurs due to the insertion / extraction of lithium ions by charging / discharging, and the particles are cracked by repeating this. Then, cracks progress and the particles are destroyed and refined. As a result, the ion diffusibility in the particles and the impedance between the particles increase, and the polarization during discharge increases. It was.
そこで、リチウム遷移金属リン酸塩の様なリチウム金属リン酸化合物に、比較的低温で結晶性の高い材料を合成することのできる水熱法を適用することが試みられている。
水熱法では、原料を含む溶液にクエン酸のような高温で分解する水溶性有機酸を添加すれば、この溶液を均一化することができるために、高結晶性かつ微粒子のリチウム金属リン酸化合物(LixAyD2PO4)が得られる。しかしながら、この水熱法においても、オートクレーブ等の耐圧容器を用いてバッチ式合成を行う際に、収量を増やすために耐圧容器を大型化すると、耐圧容器の大型化に伴って昇温速度を低くせざるを得ず、微粒化に影響を及ぼすクエン酸の分解反応速度が限定されるという問題点があった。
Therefore, an attempt has been made to apply a hydrothermal method capable of synthesizing a material having high crystallinity at a relatively low temperature to a lithium metal phosphate compound such as a lithium transition metal phosphate.
In the hydrothermal method, if a water-soluble organic acid that decomposes at a high temperature, such as citric acid, is added to the solution containing the raw material, the solution can be homogenized. A compound (Li x A y D 2 PO 4 ) is obtained. However, even in this hydrothermal method, when batch-type synthesis is performed using a pressure vessel such as an autoclave, if the size of the pressure vessel is increased in order to increase the yield, the rate of temperature increase is reduced along with the increase in size of the pressure vessel. There is a problem that the decomposition reaction rate of citric acid that affects atomization is limited.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、水熱合成法によりリチウム電池用正極活物質を連続して製造する際に、水熱合成反応の形態に応じてリチウム電池用正極活物質の析出条件を適宜調製することにより、リチウム電池用正極活物質の形状、結晶性及び粒径の最適化が可能なリチウム電池用正極活物質の製造方法及びリチウム電池用正極活物質並びにリチウム電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in the case of continuously producing a positive electrode active material for a lithium battery by a hydrothermal synthesis method, the lithium battery according to the form of the hydrothermal synthesis reaction. Method for producing positive electrode active material for lithium battery capable of optimizing shape, crystallinity and particle size of positive electrode active material for lithium battery by appropriately adjusting deposition conditions for positive electrode active material for lithium battery, and positive electrode active material for lithium battery An object of the present invention is to provide a lithium battery.
本発明者等は、鋭意検討を行った結果、LixAyDzPO4で表されるリチウム電池用正極活物質の原料であるリチウム(Li)成分、リン(P)成分、A成分及びD成分を、水を主成分とする溶媒に加えて温度(1)の溶液またはスラリーとし、この溶液またはスラリーを温度(1)と異なる温度(2)に保持して結晶核を析出させ、この溶液またはスラリー中の結晶核を温度(3)にて成長させることにより、リチウム電池用正極活物質の形状及び粒径の最適化が可能であり、しかも、リチウム電池用正極活物質の合成に要する時間の短縮が可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that a lithium (Li) component, a phosphorus (P) component, an A component, and a raw material for a positive electrode active material for a lithium battery represented by Li x A y D z PO 4 The component D is added to a solvent containing water as a main component to form a solution or slurry at a temperature (1), and this solution or slurry is maintained at a temperature (2) different from the temperature (1) to precipitate crystal nuclei. By growing crystal nuclei in the solution or slurry at the temperature (3), it is possible to optimize the shape and particle size of the positive electrode active material for the lithium battery, and it is necessary for the synthesis of the positive electrode active material for the lithium battery. It has been found that the time can be shortened, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法は、LixAyDzPO4(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)にて表されるリチウム電池用正極活物質の製造方法であり、水を主成分とする溶媒に、前記LixAyDzPO4の原料となるリチウム(Li)成分、リン(P)成分、A成分及びD成分を加えて温度(1)の溶液またはスラリーとし、次いで、この溶液またはスラリーを前記温度(1)と異なる温度(2)に保持して結晶核を析出させ、次いで、この溶液またはスラリー中の結晶核を温度(3)にて成長させることを特徴とする。 That is, the manufacturing method of the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is Li x A y D z PO 4 (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr, and D is Mg , Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, one or two selected from rare earth elements A method for producing a positive electrode active material for a lithium battery represented by 0 <x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5, which is different from the above-described A, wherein water is a main component And adding a lithium (Li) component, a phosphorus (P) component, an A component and a D component as raw materials of the Li x A y D z PO 4 to a solution or slurry at a temperature (1), The solution or slurry is held at a temperature (2) different from the temperature (1) to form a crystal. Nuclear precipitating, then characterized by growing the crystal nuclei of the solution or slurry at a temperature (3).
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法では、前記溶媒に、さらに、水に可溶な有機酸を加えることが好ましい。
前記有機酸は、ヒドロキシカルボン酸またはカルボン酸であることが好ましく、前記ヒドロキシカルボン酸は、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、酒石酸の群から選択された1種または2種以上であることが好ましい。
In the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery according to the present invention, it is preferable to add an organic acid soluble in water to the solvent.
The organic acid is preferably a hydroxycarboxylic acid or carboxylic acid, and the hydroxycarboxylic acid is preferably one or more selected from the group consisting of citric acid, malic acid, lactic acid, and tartaric acid.
本発明のリチウム電池用正極活物質は、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法により得られたことを特徴とする。 The positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is obtained by the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention.
本発明のリチウム電池は、本発明のリチウム電池用正極活物質を正電極に用いてなることを特徴とする。 The lithium battery of the present invention is characterized by using the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention as a positive electrode.
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法によれば、水を主成分とする溶媒に、LixAyDzPO4の原料となるリチウム(Li)成分、リン(P)成分、A成分及びD成分を加えて温度(1)の溶液またはスラリーとし、次いで、この溶液またはスラリーを前記温度(1)と異なる温度(2)に保持して結晶核を析出させ、次いで、この溶液またはスラリー中の結晶核を温度(3)にて成長させるので、リチウム電池用正極活物質の析出条件を温度を変えることで適宜調製することができ、リチウム電池用正極活物質の形状、結晶性及び粒径の最適化を容易に行うことができる。
したがって、結晶性に優れ、形状及び粒径の揃ったLixAyDzPO4を主成分とするリチウム電池用正極活物質を容易に製造することができる。
According to the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention, a lithium (Li) component, a phosphorus (P) component, and A that are raw materials for Li x A y D z PO 4 are added to a solvent containing water as a main component. Component and component D are added to form a solution or slurry at temperature (1), and then the solution or slurry is maintained at a temperature (2) different from the temperature (1) to precipitate crystal nuclei, and then the solution or slurry Since the crystal nuclei in the slurry are grown at the temperature (3), the deposition conditions of the lithium battery positive electrode active material can be appropriately adjusted by changing the temperature. The particle size can be easily optimized.
Therefore, it is possible to easily produce a positive electrode active material for a lithium battery having Li x A y D z PO 4 having excellent crystallinity and having a uniform shape and particle size as a main component.
本発明のリチウム電池用正極活物質によれば、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法により得られたので、LixAyDzPO4を主成分とするリチウム電池用正極活物質の結晶性を向上させることができ、形状及び粒径を制御することができる。 According to the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention, it was obtained by the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention. Therefore, the positive electrode active material for a lithium battery mainly composed of Li x A y D z PO 4 Crystallinity can be improved, and the shape and particle size can be controlled.
本発明のリチウム電池によれば、本発明のリチウム電池用正極活物質を正電極に用いたので、結晶性に優れ、形状及び粒径の揃ったLixAyDzPO4を主成分とするリチウム電池用正極活物質を用いることで、充放電容量を安定化させることができ、安定した充放電サイクル特性を実現することができ、リチウム電池用電極の高品質化、小型化を図ることができる。 According to the lithium battery of the present invention, since the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is used as a positive electrode, Li x A y D z PO 4 having excellent crystallinity, uniform shape and particle size is the main component. By using a positive active material for a lithium battery, the charge / discharge capacity can be stabilized, stable charge / discharge cycle characteristics can be realized, and the quality and size of the lithium battery electrode can be improved. Can do.
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法及びリチウム電池用正極活物質並びにリチウム電池の最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The manufacturing method of the positive electrode active material for lithium batteries of this invention, the positive electrode active material for lithium batteries, and the best form of a lithium battery are demonstrated.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法は、LixAyDzPO4(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)にて表されるリチウム電池用正極活物質の製造方法であり、水を主成分とする溶媒に、前記LixAyDzPO4の原料となるリチウム(Li)成分、リン(P)成分、A成分及びD成分を加えて温度(1)の溶液またはスラリーとし、次いで、この溶液またはスラリーを前記温度(1)と異なる温度(2)に保持して結晶核を析出させ、次いで、この溶液またはスラリー中の結晶核を温度(3)にて成長させる方法である。 The method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is Li x A y D z PO 4 (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr, and D is Mg, Ca Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, one or more selected from rare earth elements and A method for producing a positive electrode active material for a lithium battery represented by 0 <x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5, which is different from A, and is mainly composed of water. Lithium (Li) component, phosphorus (P) component, A component and D component as raw materials of the Li x A y D z PO 4 are added to the solvent to make a solution or slurry at temperature (1), and then this solution Or the slurry is kept at a temperature (2) different from the temperature (1) to precipitate crystal nuclei. So, then, the crystal nuclei of the solution or slurry is a method of growing at a temperature (3).
この温度(1)及び温度(2)の制御方法については、次の2種類がある。
A.前記溶液またはスラリーを温度(1)、例えば−80℃以上かつ300℃以下の温度に保持し、次いで、この溶液またはスラリーを温度(1)より高くかつ室温(25℃)以上かつ800℃以下の温度(2)に保持して溶液またはスラリー内にLixAyDzPO4を主成分とする結晶核を析出させ、その後、結晶核を含む溶液またはスラリーを温度(3)に保持し、この溶液またはスラリー中の結晶核を成長させる方法。
There are the following two methods for controlling the temperature (1) and the temperature (2).
A. The solution or slurry is maintained at a temperature (1), for example, -80 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, and then the solution or slurry is higher than temperature (1) and at room temperature (25 ° C.) or higher and 800 ° C. or lower. Crystal temperature nuclei mainly composed of Li x A y D z PO 4 are precipitated in the solution or slurry while maintaining the temperature (2), and then the solution or slurry containing the crystal nuclei is maintained at the temperature (3). A method of growing crystal nuclei in this solution or slurry.
この方法では、温度(1)の溶液またはスラリーを温度(2)に急速加熱して保持することにより、この溶液またはスラリーに化学反応を生じさせ、この溶液またはスラリーにLixAyDzPO4の結晶核を析出させる。その後、結晶核を含む溶液またはスラリーを温度(3)に保持し、溶液またはスラリー内の結晶核を成長させ、LixAyDzPO4の微結晶とする。
これにより、LixAyDzPO4の微結晶を連続して製造することができる。
In this method, a solution or slurry at a temperature (1) is rapidly heated to a temperature (2) and held to cause a chemical reaction in the solution or slurry, and Li x A y D z PO is generated in the solution or slurry. 4 crystal nuclei are precipitated. Thereafter, the solution or slurry containing the crystal nuclei is maintained at the temperature (3), and the crystal nuclei in the solution or slurry are grown to form Li x A y D z PO 4 microcrystals.
This makes it possible to continuously manufacture microcrystals of Li x A y D z PO 4 .
B.前記溶液またはスラリーを温度(1)、例えば室温(25℃)以上かつ800℃以下の温度に保持し、次いで、この溶液またはスラリーを温度(1)より低くかつ−80℃以上かつ300℃以下の温度(2)に保持して溶液またはスラリー内にLixAyDzPO4を主成分とする結晶核を析出させ、その後、結晶核を含む溶液またはスラリーを温度(3)に保持し、この溶液またはスラリー中の結晶核を成長させる方法。 B. The solution or slurry is maintained at a temperature (1), for example, room temperature (25 ° C.) or higher and 800 ° C. or lower, and then the solution or slurry is lower than temperature (1) and −80 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. Crystal temperature nuclei mainly composed of Li x A y D z PO 4 are precipitated in the solution or slurry while maintaining the temperature (2), and then the solution or slurry containing the crystal nuclei is maintained at the temperature (3). A method of growing crystal nuclei in this solution or slurry.
この方法では、溶液またはスラリーを温度(1)に保持することにより、この溶液またはスラリーに化学反応を生じさせ、この溶液またはスラリーにLixAyDzPO4の結晶核を析出させる。その後、結晶核を含む溶液またはスラリーを冷却して温度(2)の状態とすることにより、この溶液またはスラリーの化学反応を停止させる。その後、結晶核を含む溶液またはスラリーを温度(3)に保持し、溶液またはスラリー内の結晶核を成長させ、LixAyDzPO4の微結晶とする。
これにより、LixAyDzPO4の微結晶を連続して製造することができる。
In this method, the solution or slurry is maintained at a temperature (1) to cause a chemical reaction in the solution or slurry, and crystal nuclei of Li x A y D z PO 4 are precipitated in the solution or slurry. Thereafter, the chemical reaction of the solution or slurry is stopped by cooling the solution or slurry containing crystal nuclei to a temperature (2) state. Thereafter, the solution or slurry containing the crystal nuclei is maintained at the temperature (3), and the crystal nuclei in the solution or slurry are grown to form Li x A y D z PO 4 microcrystals.
This makes it possible to continuously manufacture microcrystals of Li x A y D z PO 4 .
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法についてさらに詳しく説明する。
まず、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法が適用される製造装置について説明する。
図1は、リチウム電池用正極活物質の製造装置を示す概略構成図であり、結晶性、形状及び粒径が制御されたLixAyDzPO4を主成分とするリチウム電池用正極活物質を連続して製造する装置である。
The method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention will be described in more detail.
First, a manufacturing apparatus to which the method for manufacturing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for producing a positive electrode active material for a lithium battery. The positive electrode active for a lithium battery mainly composed of Li x A y D z PO 4 having controlled crystallinity, shape and particle size. It is a device that continuously manufactures substances.
図において、1はLixAyDzPO4を主成分とするリチウム電池用正極活物質の原料となる溶液(またはスラリー)Sを貯留する原料タンク、2は溶液(またはスラリー)Sを搬送する配管、3は配管2に設けられて原料タンク1に貯留される溶液(またはスラリー)Sを供給するポンプであり、これら原料タンク1、配管2及びポンプ3により原料供給部4が構成されている。
この溶液(またはスラリー)Sは、水を主成分とする溶媒に、リチウム電池用正極活物質の成分であるLi成分、P成分、A成分及びD成分を加え、必要に応じて水に可溶な有機酸を加え、攪拌・混合したものである。
In the figure, 1 is a raw material tank for storing a solution (or slurry) S that is a raw material of a positive electrode active material for a lithium battery mainly composed of Li x A y D z PO 4 , and 2 is for conveying the solution (or slurry) S A pipe 3 is provided in the
This solution (or slurry) S is soluble in water as required by adding Li, P, A, and D components, which are components of a positive electrode active material for lithium batteries, to a solvent mainly composed of water. A simple organic acid is added and stirred and mixed.
また、5はポンプ3の出口側に接続された配管、6はポンプ3から送り出されて配管5内を流動する溶液(またはスラリー)Sを温度(1)、例えば−80℃以上かつ300℃以下の温度に保持する低温部、7は低温部6から送り出される溶液(またはスラリー)Sを温度(1)と異なる温度(2)、例えば、温度(1)より高くかつ室温(25℃)以上かつ800℃以下の高温に保持して結晶核を析出させる結晶核析出部であり、低温部6と結晶核析出部7により配管5内に温度勾配が形成されることで、配管5内を流動する溶液(またはスラリー)Sが急激に温度変化することにより、溶液(またはスラリー)Sが化学反応してLixAyDzPO4を主成分とするリチウム金属リン酸化合物の結晶核を生成する様になっている。
Also, 5 is a pipe connected to the outlet side of the
また、8は結晶核析出部7から送り出される結晶核を含む溶液(またはスラリー)S’を温度(3)、例えば−80℃以上かつ温度(2)以下に保持し、結晶核を所定の粒径及び形状の結晶に成長させるオートクレーブ容器等からなる密閉式の反応槽である。
この反応槽8には、結晶核を含む溶液(またはスラリー)S’を攪拌する攪拌機11、結晶核を含む溶液(またはスラリー)S’を温度(3)に加熱し保持するヒーター12、反応槽8内を所定の圧力のアルゴン(Ar)ガス雰囲気にするためのArボンベ13及びArガスの圧力を測定するための圧力計14が設けられている。
Reference numeral 8 denotes a solution (or slurry) S ′ containing crystal nuclei sent out from the crystal nucleation precipitation unit 7 at a temperature (3), for example, −80 ° C. or higher and temperature (2) or lower. It is a sealed reaction tank composed of an autoclave vessel or the like that grows into crystals of diameter and shape.
The reaction vessel 8 includes a stirrer 11 for stirring a solution (or slurry) S ′ containing crystal nuclei, a
また、21は反応槽8により所定の大きさ及び形状に成長したLixAyDzPO4を主成分とするリチウム金属リン酸化合物微結晶を含む溶液(またはスラリー)S”を搬送するための配管、22は配管21に設けられた逆止弁、23は背圧弁、24は配管21、逆止弁22及び背圧弁23を経由して流出するリチウム金属リン酸化合物微結晶を含む溶液(またはスラリー)S”を回収するための容器、25は配管21に連通される配管26の端部に設けられ純水を貯留する水槽、27はポンプである。
この製造装置では、これら原料タンク1からポンプ27に至るそれぞれの作動は、図示しない制御装置により制御されている。
この製造装置は、溶液(またはスラリー)が原料タンク1から送り出された後、配管2、5、反応槽8、配管21を経由して容器24にて回収されるまで、外部の雰囲気から隔離された閉鎖型の反応系となっている。
In this manufacturing apparatus, each operation from the
This manufacturing apparatus is isolated from the external atmosphere until the solution (or slurry) is sent out from the
このリチウム電池用正極活物質の製造装置では、低温部6は、溶液(またはスラリー)Sを温度(1)に保持することができるものであればよく、例えば、二重管の外周に加熱用のヒーターが巻回された管型反応器が好ましい。ヒーター付きの二重管とすることで、溶液(またはスラリー)Sを広い温度範囲で温度制御することが容易になる。この低温部6の温度としては、特に限定するものではないが、下限の温度は、ドライアイスを加えたエタノールからなる寒剤が到達可能な温度である−80℃とし、上限の温度は、一般的に伝熱媒体として用いられる有機溶剤の耐熱温度である300℃とするのが好ましい。
In this apparatus for producing a positive electrode active material for a lithium battery, the
また、低温部6と結晶核析出部7は隣接させることが好ましい。また、低温部6と結晶核析出部7を連通する配管5の径が十分細い場合には、冷却あるいは加熱が容易であり、配管5を流れる溶液(またはスラリー)Sに対して容易に温度勾配を形成し、また温度勾配を容易に変更することが可能であるから、結晶核の生成段階で急激な温度変化に伴う微結晶の生成が可能になる。
The
また、結晶核析出部7の温度範囲については、結晶核を析出させることのできる温度範囲であればよく、低温部6と同様、特に限定するものではないが、温度の制御の容易さ等から、室温(25℃)からステンレスの耐熱温度の上限である800℃までの範囲が好適である。
また、反応槽8の温度範囲についても、結晶核を所定の大きさ及び形状の結晶に成長させることのできる温度範囲であればよく、低温部6及び結晶核析出部7と同様、特に限定するものではないが、加熱、冷却のいずれかの方法を採用することにより、−80℃から800℃まで設定することが可能である。
Further, the temperature range of the crystal nucleus precipitation part 7 is not particularly limited as long as it is a temperature range in which crystal nuclei can be precipitated. A range from room temperature (25 ° C.) to 800 ° C. which is the upper limit of the heat resistant temperature of stainless steel is preferable.
Further, the temperature range of the reaction vessel 8 may be a temperature range in which crystal nuclei can be grown into crystals having a predetermined size and shape, and is specifically limited as in the
次に、このリチウム電池用正極活物質の製造装置を用いてLixAyDzPO4を主成分とするリチウム電池用正極活物質を製造する方法について説明する。
まず、LixAyDzPO4の原料となる溶液(またはスラリー)Sを調整し、原料タンク1に貯留する。
水を主成分とする溶媒に、LixAyDzPO4の原料となるLi成分、P成分、A成分(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種)、D成分(但し、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる)を加え、攪拌・混合し、溶液(またはスラリー)Sを調整する。ここで、希土類元素とは、ランタン系列であるLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの15元素のことである。
Next, a method for producing a positive electrode active material for a lithium battery having Li x A y D z PO 4 as a main component using the apparatus for producing a positive electrode active material for a lithium battery will be described.
First, a solution (or slurry) S that is a raw material of Li x A y D z PO 4 is prepared and stored in the
A solvent containing water as a main component, a Li component, a P component, and an A component (A is selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, and Cr as raw materials for Li x A y D z PO 4 ) Seed), D component (where D is Mg, Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, 1 type or 2 types or more selected from rare earth elements and different from the above-mentioned A) are added and stirred and mixed to prepare a solution (or slurry) S. Here, the rare earth elements are 15 elements of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu which are lanthanum series.
ここで、水を主成分とする溶媒としては、純水、水−アルコール溶液、水−ケトン溶液、水−エーテル溶液等が挙げられ、中でも純水が好ましい。
その理由は、水は安価であり、臨界点付近で誘電率の大きな変化を示すことから、温度、圧力の操作により容易に各物質に対する溶解度等の溶媒物性を制御することが可能だからである。
Here, examples of the solvent containing water as a main component include pure water, a water-alcohol solution, a water-ketone solution, and a water-ether solution. Among these, pure water is preferable.
The reason is that water is inexpensive and exhibits a large change in dielectric constant near the critical point, so that it is possible to easily control solvent physical properties such as solubility in each substance by manipulating temperature and pressure.
Li成分としては、例えば、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(Li2CO3)、リン酸リチウム(Li3PO4)等のリチウム無機酸塩、酢酸リチウム(LiCH3COO)、蓚酸リチウム((COOLi)2)等のリチウム有機酸塩が挙げられる。 Examples of the Li component include lithium inorganic acid salts such as lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium acetate (LiCH 3 COO), lithium oxalate ( Examples include lithium organic acid salts such as (COOLi) 2 ).
P成分としては、例えば、オルトリン酸(H3PO4)、メタリン酸(HPO3)等のリン酸、リン酸水素2アンモニウム((NH4)2HPO4)、リン酸2水素アンモニウム(NH4H2PO4)等のリン酸水素アンモニウム等が挙げられ、比較的純度が高く組成制御が行い易いことから、オルトリン酸、リン酸水素2アンモニウム、リン酸2水素アンモニウムが好ましい。 Examples of the P component include phosphoric acid such as orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) and metaphosphoric acid (HPO 3 ), diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ), and ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 Examples thereof include ammonium hydrogen phosphate such as H 2 PO 4 ), and orthophosphoric acid, diammonium hydrogen phosphate, and ammonium dihydrogen phosphate are preferable because of relatively high purity and easy composition control.
A成分としては、Co、Ni、Mn、Fe、Cu、Cr各々の金属塩のうち1種が用いられ、例えば、Fe塩としては、硫酸鉄(II)(FeSO4)、酢酸鉄(II)(Fe(CH3COO)2)、塩化鉄(II)(FeCl2)等が好ましい。
D成分としては、Mg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素各々のうちA成分と異なる元素の金属塩のうち1種または2種以上が用いられ、例えば、Al2(SO4)3、MgSO4、Ti(SO4)2等の硫酸塩、Al(CH3COO)3、Mg(CH3COO)2等の酢酸塩、AlCl3、CaCl2、TiCl4等の塩化物、等のような金属塩が好ましい。
As the A component, one of metal salts of Co, Ni, Mn, Fe, Cu, and Cr is used. For example, as the Fe salt, iron (II) sulfate (FeSO 4 ), iron (II) acetate. (Fe (CH 3 COO) 2 ), iron chloride (II) (FeCl 2 ) and the like are preferable.
As D component, Mg, Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, each of rare earth elements One or more metal salts of elements different from the component A are used. For example, sulfates such as Al 2 (SO 4 ) 3 , MgSO 4 , Ti (SO 4 ) 2 , Al (CH 3 COO) 3 , metal salts such as acetates such as Mg (CH 3 COO) 2 , chlorides such as AlCl 3 , CaCl 2 and TiCl 4 , etc. are preferred.
この溶液(またはスラリー)Sに、さらに水に可溶な有機酸を加えることとしてもよい。
水に可溶な有機酸を加えることにより、難溶性物質を生成せずに均一に溶液化された溶液(またはスラリー)を調整することができる。
An organic acid soluble in water may be added to the solution (or slurry) S.
By adding an organic acid that is soluble in water, it is possible to prepare a solution (or slurry) that has been made into a uniform solution without producing a hardly soluble substance.
この有機酸としては、ヒドロキシカルボン酸またはカルボン酸が好ましく、例えば、ヒドロキシカルボン酸としては、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、酒石酸等が挙げられ、カルボン酸としては、マロン酸、アクリル酸、ポリアクリル酸、メタクリル酸、ギ酸、マレイン酸、コハク酸等が挙げられる。 As the organic acid, hydroxycarboxylic acid or carboxylic acid is preferable. Examples of the hydroxycarboxylic acid include citric acid, malic acid, lactic acid, and tartaric acid. Examples of the carboxylic acid include malonic acid, acrylic acid, and polyacrylic acid. Examples include acid, methacrylic acid, formic acid, maleic acid, and succinic acid.
中でも、クエン酸は、次のA、Bの2つの理由により、特に好適である。
(A)金属イオンに対するキレート効果が高いことから、生じたLiFePO4等のLixAyDzPO4結晶核の成長を抑制する。
(B)分解時に還元性を示すため、A成分やD成分の酸化を防止する。例えば、A成分としてFeを用いる場合、Feの2価から3価への酸化を防止する。
この有機酸は、Li成分、P成分、A成分及びD成分を加えて出発原料を調整する際に、これらの成分と同時に添加してもよく、これらの成分を混合した後に添加してもよい。
Among these, citric acid is particularly suitable for the following two reasons A and B.
(A) Since the chelating effect on metal ions is high, the growth of Li x A y D z PO 4 crystal nuclei such as LiFePO 4 is suppressed.
(B) Since it shows reducibility at the time of decomposition, oxidation of A component and D component is prevented. For example, when Fe is used as the A component, oxidation of Fe from divalent to trivalent is prevented.
This organic acid may be added simultaneously with these components when adding the Li component, P component, A component and D component to adjust the starting material, or may be added after mixing these components. .
次いで、この溶液(またはスラリー)Sを配管2及びポンプ3を介して低温部6に定量供給し、−80℃以上かつ300℃以下の温度(1)に保持する。
ここで、溶液(またはスラリー)Sをドライアイスを加えたエタノールからなる寒剤を用いて冷却すれば、−80℃、あるいはその近辺にまで冷却可能である。また、溶液(またはスラリー)Sをヒーターにより加熱すれば、有機溶剤の耐熱温度である300℃まで加熱可能である。
Next, this solution (or slurry) S is quantitatively supplied to the
Here, if the solution (or slurry) S is cooled using a cryogen composed of ethanol to which dry ice is added, the solution (or slurry) can be cooled to −80 ° C. or the vicinity thereof. Moreover, if the solution (or slurry) S is heated with a heater, it can be heated to 300 ° C., which is the heat resistant temperature of the organic solvent.
次いで、低温部6から送り出された溶液(またはスラリー)Sを結晶核析出部7に移動させ、温度(1)より高くかつ室温(25℃)以上かつ800℃以下の温度(2)に保持して溶液(またはスラリー)Sに化学反応を生じさせ、溶液(またはスラリー)S内にLixAyDzPO4を主成分とする結晶核を析出させる。
低温部6と結晶核析出部7との間に急峻な温度勾配があるので、ここを通過する溶液(またはスラリー)Sは急激な温度変化による急激な化学反応により、極めて微小なLixAyDzPO4の結晶核を瞬時にしかも多量に生成することとなる。
Next, the solution (or slurry) S sent out from the low-
Since there is a steep temperature gradient between the
この様にして発生した微小なLixAyDzPO4の結晶核を含む溶液(またはスラリー)S’は、反応槽8に送り込まれる。この反応槽8は、内部がArボンベ13及び圧力計14により所定の圧力のArガス雰囲気とされているので、溶液(またはスラリー)S’は、酸化等により変質する虞がない。
The solution (or slurry) S ′ containing crystal nuclei of minute Li x A y D z PO 4 generated in this way is sent into the reaction vessel 8. Since the inside of the reaction vessel 8 is set to an Ar gas atmosphere having a predetermined pressure by the
この溶液(またはスラリー)S’は、攪拌機11により攪拌されると同時にヒーター12により−80℃以上かつ温度(2)以下の温度(3)に加熱され保持される。
同時に、Arボンベ13及び圧力計14により反応槽8内部の雰囲気が、例えば、0.1〜30MPaのAr雰囲気に保たれる。
ここでは、微小なLixAyDzPO4の結晶核を基に、結晶性が良く、均一な粒径及び形状のLixAyDzPO4微結晶に徐々に成長させる必要があるので、温度(3)は温度(2)以下であることが好ましい。
This solution (or slurry) S ′ is stirred by the stirrer 11 and simultaneously heated and held at a temperature (3) not lower than −80 ° C. and not higher than temperature (2) by the
At the same time, the atmosphere inside the reaction vessel 8 is maintained in an Ar atmosphere of, for example, 0.1 to 30 MPa by the
Here, it is necessary to gradually grow Li x A y D z PO 4 microcrystals with good crystallinity and uniform grain size and shape based on the fine Li x A y D z PO 4 crystal nucleus. Therefore, it is preferable that the temperature (3) is equal to or lower than the temperature (2).
この結晶核を含む溶液(またはスラリー)S’を反応槽8内で所定時間熟成することにより、LixAyDzPO4の結晶核が結晶成長し、所定の粒径及び形状のLixAyDzPO4微結晶となる。
ここでは、熟成の際の温度、雰囲気及び圧力を一定に保持しているので、微小な結晶核を基にLixAyDzPO4微結晶を容易かつ大量に、しかも連続的に生成することができる。
The solution (or slurry) S ′ containing the crystal nuclei is aged for a predetermined time in the reaction vessel 8, whereby crystal nuclei of Li x A y D z PO 4 grow, and Li x having a predetermined particle size and shape is formed. the a y D z PO 4 crystallites.
Here, since the temperature, atmosphere, and pressure during ripening are kept constant, Li x A y D z PO 4 microcrystals can be easily and continuously produced in large quantities based on the minute crystal nuclei. be able to.
このLixAyDzPO4微結晶を含む溶液(またはスラリー)S”は、配管21、逆止弁22を経由した後に、水槽25から送られる純水と混合され、背圧弁23を経由して容器24にて回収される。背圧弁23を絞ることにより、配管2から配管22に至る反応系全体の圧力を任意に制御することができる。
The solution (or slurry) S ″ containing Li x A y D z PO 4 microcrystals is mixed with pure water sent from the
このLixAyDzPO4微結晶を含む溶液(またはスラリー)S”は、そのままの状態で使用してもよく、また、LixAyDzPO4微結晶単体を用いる場合には、限外濾過法等によりLixAyDzPO4微結晶を溶液(またはスラリー)S”から分離し、その後、真空乾燥等により乾燥させればよい。
以上により、LixAyDzPO4微結晶、あるいはLixAyDzPO4微結晶を含む溶液(またはスラリー)S”を連続して製造することができる。
しかも、装置構成が簡単であり、しかも安価であるから、製造コストを大幅に削減することができる。
This solution (or slurry) S ″ containing Li x A y D z PO 4 microcrystals may be used as it is, or when Li x A y D z PO 4 microcrystals are used alone. The Li x A y D z PO 4 microcrystals may be separated from the solution (or slurry) S ″ by ultrafiltration or the like, and then dried by vacuum drying or the like.
Thus, it is possible to continuously manufacture the Li x A y D z PO 4 crystallites, or Li x A y D z PO 4 solution containing microcrystals (or slurry) S ".
Moreover, since the apparatus configuration is simple and inexpensive, the manufacturing cost can be greatly reduced.
本実施形態によれば、従来の水熱合成反応による粉末合成において成し得なかったLixAyDzPO4の結晶核の生成段階における温度条件と、LixAyDzPO4の結晶核の成長段階における温度条件とを、互いに独立して設定することができる。したがって、従来と比較して、得られたLixAyDzPO4微結晶の結晶子径及び結晶性制御が多様となり、大きさ及び形状が制御されたLixAyDzPO4微結晶、あるいはLixAyDzPO4微結晶を含む溶液またはスラリーを大量かつ容易に製造することができる。 According to this embodiment, the temperature conditions in the crystal nucleus generation stage of Li x A y D z PO 4 , which could not be achieved in the powder synthesis by the conventional hydrothermal synthesis reaction, and the Li x A y D z PO 4 The temperature conditions in the crystal nucleus growth stage can be set independently of each other. Therefore, the crystallite diameter and crystallinity control of the obtained Li x A y D z PO 4 microcrystals are various compared with the conventional one, and the size and shape of the Li x A y D z PO 4 microcrystals are controlled. A large amount of a solution or slurry containing crystals or Li x A y D z PO 4 microcrystals can be easily produced.
以上により、従来水熱合成反応による粉末合成において成し得なかった核生成段階と生成粒子の熟成段階との分離および独立な温度条件の設定が可能になり、従来方式に比較してLixAyDzPO4微結晶の結晶径、結晶性制御が多様となるため、従来方式に比して微結晶が得られた。
本実施形態の溶液(またはスラリー)Sを原料とする粉末合成は、各種金属酸化物、リン酸化合物、シュウ酸化合物、水酸化物等の粉末を合成する水熱合成に適用可能である。
As described above, it is possible to separate the nucleation stage and the ripening stage of the generated particles, which could not be achieved in the powder synthesis by the conventional hydrothermal synthesis reaction, and to set independent temperature conditions. Compared with the conventional system, Li x A crystal diameter of y D z PO 4 crystallites, the crystallinity control is varied, fine crystals were obtained as compared with the conventional method.
Powder synthesis using the solution (or slurry) S of this embodiment as a raw material is applicable to hydrothermal synthesis for synthesizing powders of various metal oxides, phosphoric acid compounds, oxalic acid compounds, hydroxides and the like.
本発明のリチウム電池は、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法により得られたLixAyDzPO4微結晶を主成分とするリチウム電池用正極活物質を正電極に用いたものであり、負電極、電解質、セパレーター及び電池形状等は特に限定されるものではない。このリチウム電池は、その正極が、高純度であり、粒径が揃った微細な結晶であるLixAyDzPO4微結晶によって形成されたものであるから、安定した充放電サイクル性能を備えたものであり、高出力化が達成されたものである。 The lithium battery of the present invention uses, as a positive electrode, a positive electrode active material for a lithium battery mainly composed of Li x A y D z PO 4 microcrystals obtained by the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention. The negative electrode, electrolyte, separator, battery shape, etc. are not particularly limited. In this lithium battery, the positive electrode is formed of Li x A y D z PO 4 microcrystals, which are fine crystals with high purity and uniform particle size, and thus stable charge / discharge cycle performance is achieved. It is equipped, and high output is achieved.
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって限定されるものではない。
(実施例)
0.2molの酢酸リチウム(LiCH3COO)、0.1molの硫酸鉄(II)(FeSO4)、0.1molのオルトリン酸(H3PO4)、0.1molのクエン酸及び純水を、総量が0.2リットル(L)となる様に混合し、均一な透明溶液を得た。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not limited by this Example.
(Example)
0.2 mol of lithium acetate (LiCH 3 COO), 0.1 mol of iron (II) sulfate (FeSO 4 ), 0.1 mol of orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), 0.1 mol of citric acid and pure water, The mixture was mixed so that the total amount became 0.2 liters (L) to obtain a uniform transparent solution.
次いで、図1に示す製造装置を用いて、この透明溶液を反応させた。ここでは、低温部6の温度を0℃、結晶核析出部7の温度を200℃とし、低温部6と結晶核析出部7との間の温度勾配を100℃/秒とした。
また、反応槽8内を8MPaのAr雰囲気とし、その温度を170℃とした。その後、得られた生成物を濾過により分離・回収し、水洗後乾燥し、試料1を得た。
Next, this transparent solution was reacted using the production apparatus shown in FIG. Here, the temperature of the
Moreover, the inside of the reaction tank 8 was made into 8 MPa Ar atmosphere, and the temperature was 170 degreeC. Thereafter, the obtained product was separated and collected by filtration, washed with water and dried to obtain
(比較例)
0.2molの酢酸リチウム(LiCH3COO)、0.1molの硫酸鉄(II)(FeSO4)、0.1molのオルトリン酸(H3PO4)、0.1molのクエン酸及び純水を、総量が0.2Lとなる様に混合し、均一な透明溶液を得た。
次いで、この透明溶液を容量が0.3Lのオートクレーブに収納し、窒素雰囲気の下、170℃にて3時間保持し、反応させた。
その後、オートクレーブ内の生成物を濾過により分離・回収し、水洗後乾燥し、試料2を得た。
(Comparative example)
0.2 mol of lithium acetate (LiCH 3 COO), 0.1 mol of iron (II) sulfate (FeSO 4 ), 0.1 mol of orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), 0.1 mol of citric acid and pure water, Mixing was performed so that the total amount became 0.2 L, and a uniform transparent solution was obtained.
Next, this transparent solution was stored in an autoclave having a capacity of 0.3 L, and kept at 170 ° C. for 3 hours under a nitrogen atmosphere to be reacted.
Thereafter, the product in the autoclave was separated and collected by filtration, washed with water and dried to obtain
ここで、実施例で得られた試料1の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を図2に、比較例で得られた試料2の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を図3に、それぞれ示す。
これらの図によれば、実施例で得られた試料1は、100nm程度の極めて微小な微結晶であることが分かった。一方、比較例で得られた試料2は、500nm程度の粗大な結晶であり、しかも結晶径に大きなばらつきがあることが分かった。
Here, the scanning electron microscope image (SEM image) of the
According to these figures, it was found that
本発明は、リチウム電池用正極活物質であるLixAyDzPO4の結晶核の生成段階における温度条件と、LixAyDzPO4の結晶核の成長段階における温度条件とを、互いに独立して設定することにより、極めて微小なLixAyDzPO4微結晶を得ることができたものであるから、リチウム電池のさらなる充放電サイクルの安定化はもちろんのこと、さらなる小型化、軽量化、高容量化が期待される二次電池の分野に適用することが可能である。 The present invention relates to a temperature condition in the crystal nucleus generation stage of Li x A y D z PO 4 , which is a positive electrode active material for a lithium battery, and a temperature condition in the crystal nucleus growth stage of Li x A y D z PO 4. By setting them independently of each other, extremely fine Li x A y D z PO 4 crystallites could be obtained, and of course, further stabilization of the charge / discharge cycle of the lithium battery was further achieved. The present invention can be applied to the field of secondary batteries that are expected to be reduced in size, weight, and capacity.
1 原料タンク
2 配管
3 ポンプ
4 原料供給部
5 配管
6 低温部
7 結晶核析出部
8 反応槽
11 攪拌機
12 ヒーター
13 Arボンベ
14 圧力計
21 配管
22 逆止弁
23 背圧弁
24 容器
25 水槽
26 配管
27 ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
水を主成分とする溶媒に、前記LixAyDzPO4の原料となるリチウム(Li)成分、リン(P)成分、A成分及びD成分を加えて温度(1)の溶液またはスラリーとし、次いで、この溶液またはスラリーを前記温度(1)と異なる温度(2)に保持して結晶核を析出させ、次いで、この溶液またはスラリー中の結晶核を温度(3)にて成長させることを特徴とするリチウム電池用正極活物質の製造方法。 Li x A y D z PO 4 (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr, D is Mg, Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu) , Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, one or more selected from rare earth elements and different from A, 0 <x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5), a method for producing a positive electrode active material for a lithium battery,
A solution or slurry at temperature (1) by adding a lithium (Li) component, a phosphorus (P) component, an A component and a D component as raw materials of the Li x A y D z PO 4 to a solvent containing water as a main component. Next, the solution or slurry is maintained at a temperature (2) different from the temperature (1) to precipitate crystal nuclei, and then the crystal nuclei in the solution or slurry are grown at temperature (3). A method for producing a positive electrode active material for a lithium battery.
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