JP7179603B2 - Method for producing NASICON-type oxide particles for solid electrolyte of lithium-ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、全固体リチウムイオン二次電池に用いるための、NASICON型酸化物粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing NASICON-type oxide particles for use in all-solid-state lithium-ion secondary batteries.
現在実用化されているリチウムイオン二次電池は、電解液に可燃性の有機溶媒を用いているため、液漏れや発火等に対する安全対策を充分に講じる必要があり、また電池の小型化や薄膜化の難易度も高い。ところが、酸化物系や硫化物系の固体電解質を備えた全固体リチウムイオン二次電池であると、エネルギー密度が高い上に、可燃物を用いることなく製造することができるため、安全対策を講じる負担が軽減され、製造コストや生産性を容易に高めることが可能となる。 Lithium-ion secondary batteries currently in practical use use flammable organic solvents in the electrolyte, so it is necessary to take sufficient safety measures against leaks and fires. It is also highly difficult to convert. However, an all-solid-state lithium-ion secondary battery with an oxide-based or sulfide-based solid electrolyte has a high energy density and can be manufactured without using combustibles, so safety measures must be taken. The burden is reduced, and manufacturing costs and productivity can be easily increased.
こうしたことから、高い有用性に期待がかかる固体電解質材料については、種々の開発が活発化しつつある。なかでも、一般式Li1+xM2(PO4)3で表されるNASICON型の結晶構造を有するリン酸リチウム系複合酸化物(以後、「NASICON型酸化物」と称す。)は、化学的安定性に優れる酸化物系の固体電解質であるという特徴に加えて、室温において10-4S/cm台もの高いリチウムイオン伝導度を示すという優れた特性を有しており、大いに期待される固体電解質材料の一つである。 For these reasons, various developments are being actively carried out on solid electrolyte materials, which are expected to be highly useful. Among them, a lithium phosphate-based composite oxide having a NASICON-type crystal structure represented by the general formula Li 1+x M 2 (PO 4 ) 3 (hereinafter referred to as “NASICON-type oxide”) is a chemical In addition to being an oxide-based solid electrolyte with excellent thermal stability, it also has excellent characteristics of exhibiting lithium ion conductivity as high as 10 -4 S/cm at room temperature, and is highly expected. It is one of the solid electrolyte materials.
このようなNASICON型酸化物粒子は、固相法やゾルゲル法を用いれば製造することができるものの、粉砕処理を施して微細化を図らなければならず、ブロードな粒度分布の結晶粒子となって、リチウムイオン伝導性の低下を招くおそれがある。一方、これら固相法やゾルゲル法のほか、ガラス化法を用いた製造も試みられており、例えば特許文献1には、NASICON型酸化物の原料となる複数の酸化物をCa3(PO4)2とともに熔解してガラス化し、そのガラスを熱処理及び酸処理することでNASICON型酸化物多孔質体を製造する方法(ガラス化法)が開示されている。また特許文献2には、モル比でLi2O:Al2O3:TiO2:P2O5:ZnO=1+x:x:4-2x:3+y:yを超え、かつ3y未満(0≦x≦1、1≦y≦4)からなるガラスを作製する、ガラス化法によるNASICON型酸化物粒子の製造方法が開示されている。 Although such NASICON-type oxide particles can be produced by using a solid-phase method or a sol-gel method, they must be pulverized to make them finer, resulting in crystal particles with a broad particle size distribution. , may lead to a decrease in lithium ion conductivity. On the other hand, in addition to the solid phase method and the sol - gel method, production using a vitrification method has also been attempted. ) 2 , and heat-treating and acid-treating the glass to produce a NASICON-type oxide porous body (vitrification method). Further, in Patent Document 2, the molar ratio of Li 2 O:Al 2 O 3 :TiO 2 :P 2 O 5 :ZnO=1+x:x:4−2x:3+y:y is more than 3y and less than 3y (0≦x Disclosed is a method for producing NASICON-type oxide particles by a vitrification process that produces a glass consisting of ≤1, 1≤y≤4).
しかしながら、特許文献1に記載の製造方法であると、得られるNASICON型酸化物粒子に不純物としてCaが多く含まれ、また結晶度が低く、さらに固相法やゾルゲル法と同様、依然として粉砕処理を施す必要がある。また、特許文献2に記載の製造方法であると、不純物の混入が抑制され得るものの、ガラスの作製やガラスを結晶化させるための複数回の熱処理工程、及び不純物の溶出のための酸処理等の工程を経る必要があり、工程の煩雑化を余儀なくされる。 However, with the production method described in Patent Document 1, the resulting NASICON-type oxide particles contain a large amount of Ca as an impurity, have a low degree of crystallinity, and, like the solid-phase method and the sol-gel method, still require a pulverization treatment. need to apply. In addition, although the production method described in Patent Document 2 can suppress the contamination of impurities, multiple heat treatment steps for producing glass and crystallizing glass, acid treatment for elution of impurities, etc. , which inevitably complicates the process.
したがって、本発明の課題は、粉砕処理等を要することなく微細かつ高純度なNASICON型酸化物粒子が得られ、工程の簡略化をも図ることのできるNASICON型酸化物粒子の製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing NASICON-type oxide particles that can obtain fine and highly pure NASICON-type oxide particles without requiring a pulverization treatment or the like, and that can also simplify the process. That's what it is.
そこで本発明者は、種々検討したところ、リチウム化合物、金属(M)化合物、及びリン酸化合物と溶媒とから調製した特定のpH値を有する混合液を用い、これを特定の温度で噴霧熱分解することにより、リチウムイオン二次電池の固体電解質として優れた特性を有するNASICON型酸化物粒子が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。 Therefore, as a result of various studies, the present inventors used a mixed liquid having a specific pH value prepared from a lithium compound, a metal (M) compound, a phosphoric acid compound, and a solvent, and spray pyrolyzed this at a specific temperature. As a result, the inventors have found that NASICON-type oxide particles having excellent properties as a solid electrolyte for lithium ion secondary batteries can be obtained, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、次の工程(I)~(II):
(I)リチウム化合物、金属(M)(Mは、Ca、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Ga、Cr、Sc、In、Y、La、Zn、Si、Mn、Zr、Ge、Nd、Sr、Sn、Hf、V又はZrから選ばれる1種又は2種以上を示す。)化合物及びリン酸化合物と、溶媒とを混合して、25℃におけるpHが0.5~3である混合液を調製する工程
(II)得られた混合液を600℃~1000℃で噴霧熱分解する工程
を備える、リチウムイオン二次電池の固体電解質用NASICON型酸化物粒子の製造方法を提供するものである。
That is, the present invention provides the following steps (I) to (II):
(I) Lithium compounds, metals (M) (M is Ca, Al, Cu, Co, Fe, Ni, Ga, Cr, Sc, In, Y, La, Zn, Si, Mn, Zr, Ge, Nd, (1 or 2 or more selected from Sr, Sn, Hf, V, and Zr.) A mixed liquid having a pH of 0.5 to 3 at 25° C. by mixing a compound and a phosphoric acid compound with a solvent. and (II) spray pyrolyzing the resulting mixture at 600°C to 1000°C. .
本発明の製造方法によれば、所定の混合液を調製し、これを噴霧熱分解するのみで、微細かつ高純度なNASICON型酸化物粒子を得ることができ、また熱処理工程を複数回繰り返す必要がなく、粒子の微細化を図るための粉砕処理を施す必要もないことから、工程の簡略化を図ることもできる。
したがって、本発明の製造方法によれば、優れたイオン伝導性を有するリチウムイオン二次電池の固体電解質用NASICON型酸化物粒子を容易に得ることが可能である。
According to the production method of the present invention, fine and high-purity NASICON-type oxide particles can be obtained only by preparing a predetermined mixed solution and subjecting it to spray pyrolysis, and the heat treatment process needs to be repeated multiple times. Since there is no need to perform a pulverization treatment for miniaturization of particles, the process can be simplified.
Therefore, according to the production method of the present invention, it is possible to easily obtain NASICON-type oxide particles for a solid electrolyte of a lithium ion secondary battery having excellent ion conductivity.
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の固体電解質用NASICON型酸化物粒子(以下、単に「NASICON型酸化物粒子」とも称する)の製造方法は、次の工程(I)~(II):
(I)リチウム化合物、金属(M)(Mは、Ca、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Ga、Cr、Sc、In、Y、La、Zn、Si、Mn、Zr、Ge、Nd、Sr、Sn、Hf、V又はZrから選ばれる1種又は2種以上を示す。)化合物及びリン酸化合物と、溶媒とを混合して、25℃におけるpHが0.5~3である混合液を調製する工程
(II)得られた混合液を600℃~1000℃で噴霧熱分解する工程
を備える。
The present invention will be described in detail below.
The method for producing NASICON-type oxide particles for a solid electrolyte of a lithium-ion secondary battery of the present invention (hereinafter also simply referred to as "NASICON-type oxide particles") comprises the following steps (I) to (II):
(I) Lithium compounds, metals (M) (M is Ca, Al, Cu, Co, Fe, Ni, Ga, Cr, Sc, In, Y, La, Zn, Si, Mn, Zr, Ge, Nd, (1 or 2 or more selected from Sr, Sn, Hf, V, and Zr.) A mixed liquid having a pH of 0.5 to 3 at 25° C. by mixing a compound and a phosphoric acid compound with a solvent. (II) comprising a step of spray pyrolyzing the obtained mixture at 600°C to 1000°C.
工程(I)は、リチウム化合物、金属(M)(Mは、Ca、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Ga、Cr、Sc、In、Y、La、Zn、Si、Mn、Zr、Ge、Nd、Sr、Sn、Hf、V又はZrから選ばれる1種又は2種以上を示す。)化合物及びリン酸化合物と、溶媒とを混合して、25℃におけるpHが0.5~3である混合液(A)を調製する工程である。かかる工程(I)において調製された混合液(A)を用いれば、後述する工程(II)を経ることのみで、粒子を形成させるための熱処理と粒子の微細化とを一括して行うことができ、工程の簡略化を図ることができる。 Step (I) is a lithium compound, metal (M) (M is Ca, Al, Cu, Co, Fe, Ni, Ga, Cr, Sc, In, Y, La, Zn, Si, Mn, Zr, Ge , Nd, Sr, Sn, Hf, V, or Zr.) The compound and phosphoric acid compound are mixed with a solvent, and the pH at 25° C. is 0.5 to 3. This is a step of preparing a mixture (A). By using the liquid mixture (A) prepared in the step (I), the heat treatment for forming particles and the refinement of the particles can be performed collectively only by going through the step (II) described later. It is possible to achieve simplification of the process.
工程(I)において用いるリチウム化合物は、後の工程でNASICON型酸化物粒子を形成させるためのリチウム源である。かかるリチウム化合物としては、例えば水酸化物、塩化物、炭酸塩、硫酸塩、及び有機酸塩から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。より具体的には、例えば、水酸化リチウム又はその水和物、過酸化リチウム、塩化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、シュウ酸リチウム等を好適に用いることができる。 The lithium compound used in step (I) is a lithium source for forming NASICON-type oxide particles in a subsequent step. Examples of such lithium compounds include one or more selected from hydroxides, chlorides, carbonates, sulfates, and organic acid salts. More specifically, for example, lithium hydroxide or its hydrate, lithium peroxide, lithium chloride, lithium carbonate, lithium sulfate, lithium acetate, lithium oxalate and the like can be preferably used.
リチウム化合物の含有量は、その種類によっても変動し得るが、工程(I)において得られる混合液(A)中に、好ましくは0.01mol/L~1.0mol/Lであり、より好ましくは0.05mol/L~0.7mol/Lであり、さらに好ましくは0.05mol/L~0.5mol/Lである。 The content of the lithium compound may vary depending on its type, but it is preferably 0.01 mol/L to 1.0 mol/L, more preferably It is 0.05 mol/L to 0.7 mol/L, more preferably 0.05 mol/L to 0.5 mol/L.
工程(I)において用いる金属(M)化合物は、後の工程でNASICON型酸化物粒子を形成させるための金属(M)源(Mは、Ca、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Ga、Cr、Sc、In、Y、La、Zn、Si、Mn、Zr、Ge、Nd、Sr、Sn、Hf、V又はZrから選ばれる1種又は2種以上を示す。)である。かかる金属(M)化合物としては、例えば、アルミニウムの硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、乳酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物等の、Ti化合物以外の化合物が挙げられる。 The metal (M) compound used in step (I) is a metal (M) source (M is Ca, Al, Cu, Co, Fe, Ni, Ga, one or more selected from Cr, Sc, In, Y, La, Zn, Si, Mn, Zr, Ge, Nd, Sr, Sn, Hf, V and Zr). Examples of such metal (M) compounds include compounds other than Ti compounds, such as aluminum sulfates, nitrates, carbonates, acetates, lactates, oxalates, oxides, hydroxides, and halides. be done.
金属(M)化合物の含有量は、工程(I)において得られる混合液(A)中でのリチウムと金属(M)のモル比(Li/M)で、好ましくは2~11であり、より好ましくは2.4~11であり、さらに好ましくは3~6である。上記混合液(A)中においてこのような量となるよう、金属(M)化合物を混合液に添加すればよい。 The content of the metal (M) compound is the molar ratio (Li/M) of lithium and metal (M) in the mixed solution (A) obtained in step (I), preferably 2 to 11, and more It is preferably 2.4-11, more preferably 3-6. The metal (M) compound may be added to the mixture so that the mixture (A) has such an amount.
工程(I)において用いるリン酸化合物は、後の工程でNASICON型酸化物粒子を形成させるためのリン酸源であり、また混合液(A)のpHを制御するためのpH調整剤としても作用し得る。例えば、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、pH調整剤としての作用を活用する観点から、リン酸又はリン酸水素アンモニウムを用いるのが好ましく、リン酸水素アンモニウムを用いるのがより好ましい。また、これらは70質量%~90質量%濃度の水溶液として用いるのがよい。 The phosphoric acid compound used in step (I) is a phosphoric acid source for forming NASICON-type oxide particles in a later step, and also acts as a pH adjuster for controlling the pH of the mixture (A). can. Examples include orthophosphoric acid (H 3 PO 4 , phosphoric acid), metaphosphoric acid, pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, tetraphosphoric acid, ammonium phosphate, and ammonium hydrogen phosphate. Among them, phosphoric acid or ammonium hydrogen phosphate is preferably used, and ammonium hydrogen phosphate is more preferably used, from the viewpoint of utilizing the action as a pH adjuster. Moreover, these are preferably used as an aqueous solution having a concentration of 70% by mass to 90% by mass.
リン酸化合物の含有量は、工程(I)において得られる混合液(A)中でのリチウムとリン酸のモル比(Li/PO4)で、好ましくは0.33~0.65であり、より好ましくは0.37~0.6であり、さらに好ましくは0.4~0.55である。また、リチウム化合物の含有量は、工程(I)において得られる混合液(A)中に、好ましくは0.01mol/L~1mol/Lであり、より好ましくは0.05mol/L~0.5mol/Lであり、さらに好ましくは0.08mol/L~0.3mol/Lである。 The content of the phosphoric acid compound is preferably 0.33 to 0.65 in terms of the molar ratio of lithium to phosphoric acid (Li/PO 4 ) in the mixture (A) obtained in step (I), It is more preferably 0.37 to 0.6, still more preferably 0.4 to 0.55. In addition, the content of the lithium compound in the mixed solution (A) obtained in step (I) is preferably 0.01 mol/L to 1 mol/L, more preferably 0.05 mol/L to 0.5 mol. /L, more preferably 0.08 mol/L to 0.3 mol/L.
工程(I)における混合液(A)のpHは、後述する工程(II)を経ることにより、目的物であるNASICON型酸化物粒子を良好に形成させる観点から、好ましくは0.5~3であり、より好ましくは0.5~2.7であり、特に好ましくは0.5~2.5である。なお、pH調整剤として、リンゴ酸、クエン酸、乳酸などの有機酸を適宜用いてもよい。 The pH of the mixed solution (A) in step (I) is preferably 0.5 to 3 from the viewpoint of favorably forming the target NASICON-type oxide particles through step (II) described later. Yes, more preferably 0.5 to 2.7, particularly preferably 0.5 to 2.5. Organic acids such as malic acid, citric acid, and lactic acid may be appropriately used as pH adjusters.
工程(I)において混合液(A)を調製するにあたり、さらに溶媒を用いる。かかる溶媒としては、水及び/又は有機溶媒が挙げられ、具体的には、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の水に可溶な有機溶媒又はこれを水に溶解させた水溶液を用いることもできる。かかる溶媒の含有量は、リチウム化合物、金属(M)化合物及びリン酸化合物の混合液(A)中における良好な溶解性又は分散性を保持する観点、並びに後述する工程(II)の噴霧熱分解において、各成分による粒子形成への良好な反応性と得られるNASICON型酸化物粒子の微粒子化とを確保する観点から、工程(I)において得られる混合液(A)100質量%中に、好ましくは80質量%~99質量%であり、より好ましくは85質量%~97質量%であり、さらに好ましくは88質量%~95質量%である。 A solvent is further used in preparing the mixture (A) in step (I). Examples of such a solvent include water and/or an organic solvent. Specifically, a water-soluble organic solvent such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, or an aqueous solution thereof dissolved in water can also be used. The content of such a solvent is determined from the viewpoint of maintaining good solubility or dispersibility in the mixed solution (A) of the lithium compound, the metal (M) compound and the phosphoric acid compound, and the spray pyrolysis in step (II) described later. In 100% by mass of the mixed solution (A) obtained in step (I), preferably is 80% to 99% by mass, more preferably 85% to 97% by mass, and still more preferably 88% to 95% by mass.
なお、混合液(A)を調製するにあたり、リチウム化合物、金属(M)化合物及びリン酸化合物の混合液(A)中における溶解性又は分散性を高める観点から、予めこれらの各化合物を各々別個に含有する混合液を調製し、これを混合してもよい。なかでも、各化合物の良好な溶解性又は分散性を確保しつつ、混合液(A)のpHの制御を容易にする観点から、リチウム化合物、金属(M)化合物を含有する混合液と、リン酸化合物を含有する混合液とを混合して、混合液(A)を調製するのが好ましい。 In preparing the mixed liquid (A), from the viewpoint of increasing the solubility or dispersibility in the mixed liquid (A) of the lithium compound, the metal (M) compound and the phosphoric acid compound, each of these compounds is separately added in advance. may be prepared and mixed. Among them, from the viewpoint of facilitating pH control of the mixed liquid (A) while ensuring good solubility or dispersibility of each compound, a mixed liquid containing a lithium compound and a metal (M) compound, and a phosphorus It is preferable to prepare a mixed liquid (A) by mixing with a mixed liquid containing an acid compound.
混合液(A)は、各成分をより均一に分散させる観点から、工程(II)に移行する前に、撹拌するのがよい。混合液(A)を撹拌する時間は、好ましくは5分間~3時間であり、より好ましくは10分間~2時間であり、さらに好ましくは15分間~90分間である。撹拌速度は、容器内壁面での混合液(A)の流速に換算して、好ましくは10cm/秒~200cm/秒であり、より好ましくは15cm/秒~150cm/秒、さらに好ましくは20cm/秒~100cm/秒である。 From the viewpoint of dispersing each component more uniformly, the mixture (A) is preferably stirred before proceeding to step (II). The time for stirring the mixture (A) is preferably 5 minutes to 3 hours, more preferably 10 minutes to 2 hours, and still more preferably 15 minutes to 90 minutes. The stirring speed is preferably 10 cm/sec to 200 cm/sec, more preferably 15 cm/sec to 150 cm/sec, and still more preferably 20 cm/sec in terms of the flow speed of the mixture (A) on the inner wall surface of the container. ~100 cm/sec.
工程(II)は、工程(I)で得られた混合液(A)を600℃~1000℃で噴霧熱分解する工程である。かかる噴霧熱分解とは、超音波式の噴霧装置、又は流体ノズルによる噴霧装置等を用い、装置に備えられた炉内に原料液体を噴霧することにより液滴を形成させ、さらにこれを蒸発乾固することによって粒子を形成させる処理である。なかでも、液滴の粒径を適宜調整して所望の粒径を有する粒子を形成させる観点から、2流体ノズルや4流体ノズル等の流体ノズルによる噴霧装置を用いるのが好ましい。ここで流体ノズルによる噴霧装置を用いた噴霧熱分解の方式には、空気と原料液体とをノズル内部で混合する内部混合方式と、ノズル外部で空気と原料液体を混合する外部混合方式とがあり、いずれも採用することができる。 Step (II) is a step of subjecting the mixture (A) obtained in step (I) to spray pyrolysis at 600°C to 1000°C. Such spray pyrolysis uses an ultrasonic atomizer or a fluid nozzle atomizer, etc., to form droplets by spraying the raw material liquid into a furnace provided in the device, and then evaporating and drying. It is a process in which particles are formed by solidification. Among them, it is preferable to use a spraying device using a fluid nozzle such as a two-fluid nozzle or a four-fluid nozzle from the viewpoint of forming particles having a desired particle size by appropriately adjusting the particle size of droplets. There are two types of spray pyrolysis using a fluid nozzle atomizer: an internal mixing method in which air and raw material liquid are mixed inside the nozzle, and an external mixing method in which air and raw material liquid are mixed outside the nozzle. , can be adopted.
噴霧熱分解する際における炉内の温度は、リチウム化合物、金属(M)化合物及びリン酸化合物の反応性を確保してNASICON型酸化物粒子を良好に形成させる観点から、600℃~1000℃であって、好ましくは650℃~950℃である。
また、炉内の雰囲気は、特に限定されるものではなく、大気雰囲気下、不活性ガス雰囲気下又は還元条件下のいずれであってもよいが、簡便性の観点から、大気雰囲気下が好ましい。
The temperature in the furnace during spray pyrolysis is 600° C. to 1000° C. from the viewpoint of ensuring the reactivity of the lithium compound, the metal (M) compound and the phosphoric acid compound and favorably forming the NASICON-type oxide particles. and preferably 650°C to 950°C.
The atmosphere in the furnace is not particularly limited, and may be an air atmosphere, an inert gas atmosphere, or a reducing condition, but from the viewpoint of simplicity, an air atmosphere is preferred.
本発明の製造方法により得られるNASICON型酸化物粒子の一次粒子の平均粒径は、SEM又はTEMの電子顕微鏡を用いた観察における、数十個の一次粒子の粒径(長軸の長さ)の測定値の平均値で、好ましくは70nm~300nmであり、より好ましくは70nm~250nmであり、さらに好ましくは70nm~200nmである。さらに、その平均結晶子径は、好ましくは70nm~300nmであり、より好ましくは70nm~250nmであり、さらに好ましくは70nm~200nmである。
ここで、NASICON型酸化物粒子の平均結晶子径は、Cu-kα線による回折角2θの範囲が10°~80°のX線回折プロファイルについて、シェラーの式を適用して求めた値を意味する。
The average particle size of the primary particles of the NASICON-type oxide particles obtained by the production method of the present invention is the particle size (long axis length) of several tens of primary particles in observation using an SEM or TEM electron microscope. is preferably 70 nm to 300 nm, more preferably 70 nm to 250 nm, still more preferably 70 nm to 200 nm. Furthermore, the average crystallite size is preferably 70 nm to 300 nm, more preferably 70 nm to 250 nm, and even more preferably 70 nm to 200 nm.
Here, the average crystallite size of the NASICON-type oxide particles means a value obtained by applying Scherrer's formula for an X-ray diffraction profile with a diffraction angle 2θ range of 10 ° to 80 ° by Cu-kα rays. do.
また、得られるNASICON型酸化物粒子のBET比表面積は、充放電特性に優れた二次電池を得る観点から、好ましくは3m2/g以上であり、より好ましくは5m2/g以上であり、さらに好ましくは7m2/g以上である。 In addition, the BET specific surface area of the obtained NASICON-type oxide particles is preferably 3 m 2 /g or more, more preferably 5 m 2 /g or more, from the viewpoint of obtaining a secondary battery having excellent charge-discharge characteristics, More preferably, it is 7 m 2 /g or more.
本発明の製造方法により得られるNASICON型酸化物粒子は、NASICON型の結晶構造を有する酸化物であり、具体的には、下記式(1)で表されるTiを含まない酸化物である。
Li1+xM2(PO4)3 ・・・(1)
(式(1)中、Mは、Ca、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Ga、Cr、Sc、In、Y、La、Zn、Si、Mn、Zr、Ge、Nd、Sr、Sn、Hf、V又はZrから選ばれる1種又は2種以上を示し、xは、0≦x≦4、x+(Mの価数)×2=8を満たす数を示す。)
より具体的には、例えば、LiZr2(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li1.2Zr1.9Ca0.1(PO4)3、LiHf2(PO4)3、LiGe2(PO4)3、Li1.5Al0.4Cr0.1Ge1.5(PO4)3が挙げられる。
The NASICON-type oxide particles obtained by the production method of the present invention are oxides having a NASICON-type crystal structure, specifically, Ti-free oxides represented by the following formula (1).
Li1 +xM2 ( PO4) 3 ( 1 )
(In formula (1), M is Ca, Al, Cu, Co, Fe, Ni, Ga, Cr, Sc, In, Y, La, Zn, Si, Mn, Zr, Ge, Nd, Sr, Sn, represents one or more selected from Hf, V or Zr, and x represents a number that satisfies 0≦x≦4 and x+(valence of M)×2=8.)
More specifically, for example, LiZr2 ( PO4) 3 , Li1.5Al0.5Ge1.5 ( PO4) 3 , Li1.2Zr1.9Ca0.1 ( PO4 ) 3 , LiHf2 ( PO4 ) 3 , LiGe2 ( PO4 ) 3 , Li1.5Al0.4Cr0.1Ge1.5 ( PO4 ) 3 .
このように、本発明の製造方法によれば、粒径が有効に微細化されたNASICON型酸化物粒子を得ることができる。したがって、優れた充放電特性を発現し得る全固体リチウムイオン二次電池用固体電解質を、簡便に製造することができる。 As described above, according to the production method of the present invention, NASICON-type oxide particles having effectively fined particle diameters can be obtained. Therefore, it is possible to easily produce a solid electrolyte for an all-solid lithium-ion secondary battery that can exhibit excellent charge-discharge characteristics.
こうして本発明の製造方法により得られるNASICON型酸化物粒子を固体電解質として適宜適用できる二次電池としては、正極と負極と固体電解質を必須構成とするものであって、正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層の順に積層配置された積層体が形成されるものであれば特に限定されない。 As a secondary battery to which the NASICON-type oxide particles obtained by the production method of the present invention can be appropriately applied as a solid electrolyte, a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte are essential components, and a positive electrode active material layer and a solid electrolyte. There is no particular limitation as long as a layered body in which a layer and a negative electrode active material layer are stacked in this order is formed.
ここで、正極活物質層については、リチウムイオン等の金属イオンを充電時には放出し、かつ放電時には吸蔵することができれば、その材料構成は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。例えば、原料化合物を水熱反応させることにより得られる各種ポリアニオン型正極活物質からなる正極活物質層を好適に用いることができる。 Here, the positive electrode active material layer is not particularly limited in material composition as long as it can release metal ions such as lithium ions during charging and can absorb metal ions during discharging. can be used. For example, a positive electrode active material layer made of various polyanion-type positive electrode active materials obtained by hydrothermally reacting raw material compounds can be suitably used.
また、負極活物質層については、リチウムイオン等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、その材料構成は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。例えば、原料を水熱反応させることにより得られるチタンニオブ酸化物やチタン酸ナトリウムリチウム複合酸化物からなる負極活物質層を好適に用いることができる。 In addition, regarding the negative electrode active material layer, the material configuration is not particularly limited as long as lithium ions or the like can be occluded during charging and can be released during discharging, and known material configurations can be used. . For example, a negative electrode active material layer made of titanium niobium oxide or sodium lithium titanate composite oxide obtained by hydrothermally reacting raw materials can be preferably used.
また、本発明のNASICON型酸化物粒子を用いて二次電池を製造する方法としては、特に限定されず、公知の方法を使用できる。例えば、特開2017-10816号公報に記載されるように、正極活物質層、及び負極活物質層に内包される固体電解質粒子として、本発明のNASICON型酸化物粒子を二次電池の固体電解質として用い、固体電解質層には、かかる固体電解質粒子以外の固体電解質を用いてもよい。 Moreover, the method for producing a secondary battery using the NASICON-type oxide particles of the present invention is not particularly limited, and known methods can be used. For example, as described in JP-A-2017-10816, the NASICON-type oxide particles of the present invention are used as the solid electrolyte particles contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer as the solid electrolyte of the secondary battery. A solid electrolyte other than such solid electrolyte particles may be used for the solid electrolyte layer.
上記の構成を有する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。 The shape of the secondary battery having the above configuration is not particularly limited, and may be coin-shaped, cylindrical, square, or any other shape, or may be an irregular shape enclosed in a laminated outer package.
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明する。なお、表中に特に示さない限り、各成分の含有量は質量%を示す。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below based on examples. In addition, unless otherwise indicated in the table, the content of each component indicates % by mass.
[製造例1](LiCoPO4正極活物質粒子の製造)
LiOH・H2Oを12.72gと水40mLを混合して、スラリーx1を得た。得られたスラリーx1を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85質量%のH3PO4を11.53g、35mL/分で滴下し、撹拌速度400rpmで1時間撹拌することにより、Li3PO4スラリーx2を得た。次に、得られたLi3PO4スラリーx2全量に対し、CoSO4・7H2Oを21.08g添加して、スラリーx3とした後、これをオートクレーブに投入し、170℃で1時間の水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.8MPaであった。生成した水熱反応物をろ過し、次いで、水熱反応物1質量部に対して12質量部の水により洗浄した。洗浄した水熱反応物を-50℃で12時間凍結乾燥して、LiCoPO4正極活物質粒子(粒子径100nm)を得た。
[Production Example 1] (Production of LiCoPO 4 positive electrode active material particles)
12.72 g of LiOH.H 2 O and 40 mL of water were mixed to obtain slurry x1. 11.53 g of 85% by mass H 3 PO 4 was added dropwise at 35 mL/min to the resulting slurry x1 while stirring for 3 minutes while maintaining the temperature at 25° C., and the slurry was stirred at a stirring speed of 400 rpm for 1 hour. , Li 3 PO 4 slurry x2 was obtained. Next, 21.08 g of CoSO 4 .7H 2 O was added to the total amount of the obtained Li 3 PO 4 slurry x 2 to obtain
[実施例1](Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)
水100mLにLiNO3 1.03g、Al(NO3)3・9H2O 1.88g及びGeO2 1.57gを混合して、混合液a1を得た。得られた混合液a1にNH4H2PO4 3.45gを混合し、撹拌速度50cm/秒で10分間撹拌して混合液A1を得た。25℃における混合液A1のpHは1.0であった。
次いで、圧縮空気をキャリアガスとして用い、得られた混合液b1を送液ポンプにより4流体ノズルを介してミスト状に噴霧し、炉内温度を900℃に設定した噴霧熱分解炉内を通過させてNASICON型酸化物粒子X1を得た。得られたNASICON型酸化物粒子X1は、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3単相であり、一次粒子の平均粒径は100nm、平均結晶子径は100nm、BET比表面積は24m2/gであった。
得られたNASICON型酸化物粒子X1のSEM写真を図1に、X線回折パターンを図2に示す。
[Example 1 ] ( Li1.5Al0.5Ge1.5 (PO4)3 )
1.03 g of LiNO 3 , 1.88 g of Al(NO 3 ) 3.9H 2 O and 1.57 g of GeO 2 were mixed with 100 mL of water to obtain a mixture a1. 3.45 g of NH 4 H 2 PO 4 was mixed with the obtained mixed solution a1, and stirred for 10 minutes at a stirring speed of 50 cm/sec to obtain a mixed solution A1. The pH of the mixture A1 at 25°C was 1.0.
Next, using compressed air as a carrier gas, the obtained mixture b1 is sprayed in a mist state through a four-fluid nozzle by a liquid feed pump, and passed through a spray pyrolysis furnace with the furnace temperature set at 900 ° C. to obtain NASICON-type oxide particles X1. The obtained NASICON-type oxide particles X1 are Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 single phase, the average primary particle diameter is 100 nm, the average crystallite diameter is 100 nm, and the BET specific surface area is 24 m 2 /. was g.
A SEM photograph of the obtained NASICON-type oxide particles X1 is shown in FIG. 1, and an X-ray diffraction pattern is shown in FIG.
[実施例2](LiZr2(PO4)3)
LiNO3の添加量を0.69gとし、GeO2を用いず、Al(NO3)3・9H2Oの代わりにZrO(NO3)2・2H2O 5.35gを添加した以外、実施例1と同様にしてNASICON型酸化物粒子X2を得た。得られたNASICON型酸化物粒子X2は、LiZr2(PO4)3単相であり、一次粒子の平均粒径は100nm、BET比表面積は24m2/gであった。
[Example 2 ] ( LiZr2(PO4)3 )
Example except that the amount of LiNO 3 added was 0.69 g, GeO 2 was not used, and 5.35 g of ZrO(NO 3 ) 2 .2H 2 O was added instead of Al(NO 3 ) 3 .9H 2 O. NASICON-type oxide particles X2 were obtained in the same manner as in Example 1. The obtained NASICON-type oxide particles X2 had a LiZr 2 (PO 4 ) 3 single phase, and had an average primary particle size of 100 nm and a BET specific surface area of 24 m 2 /g.
[実施例3](Li1.2Zr1.9Ca0.1(PO4)3)
LiNO3の添加量を0.83gとし、GeO2を用いず、Al(NO3)3・9H2Oの代わりにZrO(NO3)2・2H2O 5.08g及びCa(NO3)2・4H2O 0.24gを添加した以外、実施例1と同様にしてNASICON型酸化物粒子X3を得た。得られたNASICON型酸化物粒子X3は、Li1.2Zr1.9Ca0.1(PO4)3単相であり、一次粒子の平均粒径は100nm、BET比表面積は24m2/gであった。
[Example 3 ] ( Li1.2Zr1.9Ca0.1 ( PO4 ) 3 )
The amount of LiNO3 added was 0.83 g, no GeO2 was used, and 5.08 g of ZrO( NO3 ) 2.2H2O and Ca( NO3 ) 2 were used instead of Al ( NO3 ) 3.9H2O . * NASICON-type oxide particles X3 were obtained in the same manner as in Example 1, except that 0.24 g of 4H 2 O was added. The obtained NASICON-type oxide particles X3 had a Li 1.2 Zr 1.9 Ca 0.1 (PO 4 ) 3 single phase, and had an average primary particle diameter of 100 nm and a BET specific surface area of 24 m 2 /g.
[実施例4](LiHf2(PO4)3)
LiNO3の添加量を0.69gとし、GeO2を用いず、Al(NO3)3・9H2Oの代わりにHfCl4 6.41gを添加した以外、実施例1と同様にしてNASICON型酸化物粒子X4を得た。得られたNASICON型酸化物粒子X4は、LiHf2(PO4)3単相であり、一次粒子の平均粒径は100nm、BET比表面積は24m2/gであった。
[Example 4 ] ( LiHf2 (PO4) 3 )
NASICON-type oxidation was performed in the same manner as in Example 1, except that the amount of LiNO 3 added was 0.69 g, GeO 2 was not used, and 6.41 g of HfCl 4 was added instead of Al(NO 3 ) 3 .9H 2 O. A substance particle X4 was obtained. The obtained NASICON-type oxide particles X4 had a LiHf 2 (PO 4 ) 3 single phase, and the average primary particle size was 100 nm, and the BET specific surface area was 24 m 2 /g.
[実施例5](LiGe2(PO4)3)
LiNO3の添加量を0.69gとし、GeO2の添加量を2.09gとした以外、実施例1と同様にしてNASICON型酸化物粒子X5を得た。得られたNASICON型酸化物粒子X5は、LiGe2(PO4)3単相であり、一次粒子の平均粒径は100nm、BET比表面積は24m2/gであった。
[Example 5 ] ( LiGe2 (PO4) 3 )
NASICON-type oxide particles X5 were obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of LiNO 3 added was 0.69 g and the amount of GeO 2 added was 2.09 g. The obtained NASICON-type oxide particles X5 had a LiGe 2 (PO 4 ) 3 single phase, and had an average primary particle size of 100 nm and a BET specific surface area of 24 m 2 /g.
[実施例6](Li1.5Al0.4Cr0.1Ge1.5(PO4)3)
Al(NO3)3・9H2Oの添加量を1.50gとし、Al(NO3)3・9H2OとともにCr(NO3)3・9H2O 0.40gを添加した以外、実施例1と同様にしてNASICON型酸化物粒子X6を得た。得られたNASICON型酸化物粒子X6は、Li1.5Al0.4Cr0.1Ge1.5(PO4)3単相であり、一次粒子の平均粒径は100nm、BET比表面積は24m2/gであった。
[Example 6 ] ( Li1.5Al0.4Cr0.1Ge1.5 ( PO4 ) 3 )
Example except that the amount of Al(NO 3 ) 3 .9H 2 O added was 1.50 g, and 0.40 g of Cr(NO 3 ) 3 .9H 2 O was added together with Al(NO 3 ) 3 .9H 2 O. NASICON-type oxide particles X6 were obtained in the same manner as in Example 1. The obtained NASICON-type oxide particles X6 had a Li1.5Al0.4Cr0.1Ge1.5 ( PO4 ) 3 single phase , and had an average primary particle size of 100 nm and a BET specific surface area of 24 m2 /g.
[比較例1](Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)
水40mLにLiOH・H2O 0.64g及びGeO2 1.58gを混合して、混合液(az-1)2を得た。得られた混合液(az-1)2に、Al2O3 0.26g及び85質量%のH3PO4 3.46gを混合し、180℃で12時間恒温乾燥して前駆体混合物(Bz)2を得た。得られた前駆体混合物(Bz)2を、空気雰囲気下750℃で12時間焼成してNASICON型酸化物を得た。得られたNASICON型酸化物を、遊星ボールミルを用いて450rpmで10時間粉砕してNASICON型酸化物粒子Y1を得た。得られたNASICON型酸化物粒子Y1は、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3単相であり、平均粒径(D50)は400nm、平均結晶子径は300nm、BET比表面積は8m2/gであった。
ここで、平均粒径(D50)値とは、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値であり、D50値は累積50%での粒径(メジアン径)を意味する。
得られたNASICON型酸化物粒子Y1のSEM写真を図3に、X線回折パターンを図4に示す。
[Comparative Example 1 ] ( Li1.5Al0.5Ge1.5 (PO4)3 )
0.64 g of LiOH·H 2 O and 1.58 g of GeO 2 were mixed with 40 mL of water to obtain a mixed solution (az-1) 2 . 0.26 g of Al 2 O 3 and 3.46 g of 85 mass % H 3 PO 4 were mixed with the resulting mixture (az-1) 2 and dried at a constant temperature of 180° C. for 12 hours to obtain a precursor mixture (Bz ) got 2 . The resulting precursor mixture (Bz) 2 was calcined at 750° C. for 12 hours in an air atmosphere to obtain a NASICON oxide. The resulting NASICON-type oxide was pulverized using a planetary ball mill at 450 rpm for 10 hours to obtain NASICON-type oxide particles Y1. The obtained NASICON-type oxide particles Y1 are Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 single phase, and have an average particle size (D 50 ) of 400 nm, an average crystallite size of 300 nm, and a BET specific surface area of 8 m 2 . /g.
Here, the average particle size (D 50 ) value is a value obtained from a volume-based particle size distribution based on a laser diffraction/scattering method, and the D 50 value means the particle size (median diameter) at 50% cumulative. do.
A SEM photograph of the obtained NASICON-type oxide particles Y1 is shown in FIG. 3, and an X-ray diffraction pattern is shown in FIG.
《評価試験》
実施例1~6及び比較例1で得られたNASICON型酸化物粒子X1~X6、及びY1を用い、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
具体的には、正極に製造例1で得られたLiCoPO4正極活物質粒子を用い、正極活物質:NASICON型酸化物粒子(質量比)を75:25の配合割合で混合した後、プレス用冶具に投入して正極活物質層とした。さらに、その層上にNASICON型酸化物粒子のみをさらに投入して固体電解質層として積層させた後、ハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスして、φ14mmの円盤状の正極を得た。次いで、負極としてリチウム箔を固体電解質層側に取り付けることで、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
"Evaluation test"
Using the NASICON-type oxide particles X1 to X6 and Y1 obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, all-solid lithium ion secondary batteries were produced.
Specifically, the LiCoPO4 positive electrode active material particles obtained in Production Example 1 were used for the positive electrode, and the positive electrode active material: NASICON type oxide particles (mass ratio) were mixed at a mixing ratio of 75:25. It was put into a jig to form a positive electrode active material layer. Furthermore, only the NASICON-type oxide particles were added to the layer to form a solid electrolyte layer, which was then pressed at 16 MPa for 2 minutes using a hand press to obtain a disk-shaped positive electrode with a diameter of 14 mm. Next, by attaching a lithium foil as a negative electrode to the solid electrolyte layer side, an all-solid lithium ion secondary battery was produced.
作製した全固体リチウムイオン二次電池を用いて、充電条件を16mA/g、電圧5.0Vの定電流充電、放電条件を16mA/g、終止電圧3.5Vの定電流放電とした場合の、16mA/gにおける放電容量を求めた。なお、充放電試験は全て45℃で行った。結果を表1に示す。 Using the produced all-solid-state lithium ion secondary battery, the charging condition is 16 mA / g, the constant current charging at a voltage of 5.0 V, the discharging condition is 16 mA / g, the constant current discharging at the final voltage of 3.5 V, A discharge capacity at 16 mA/g was determined. All charge/discharge tests were conducted at 45°C. Table 1 shows the results.
上記結果より、実施例1~6の製造方法で得られたNASICON型酸化物粒子X1~X6は、比較例1の製造方法で得られたNASICON型酸化物粒子Y1に比して、平均粒径の値が小さいため、固体電解質層の密度が増加し、放電容量が大きくなったと考えられる。 From the above results, the NASICON-type oxide particles X1 to X6 obtained by the production methods of Examples 1 to 6 have an average particle diameter as compared with the NASICON-type oxide particles Y1 obtained by the production method of Comparative Example 1. It is considered that the density of the solid electrolyte layer increased due to the small value of , and the discharge capacity increased.
Claims (3)
(I)リチウム化合物、金属(M)(Mは、Ca、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Ga、Cr、Sc、In、Y、La、Zn、Si、Mn、Zr、Ge、Nd、Sr、Sn、Hf、V又はZrから選ばれる1種又は2種以上を示す。)化合物及びリン酸化合物と、溶媒とを混合して、25℃におけるpHが0.5~3である混合液を調製する工程
(II)得られた混合液を600℃~1000℃で噴霧熱分解する工程
を備える、下記式(1)で表されるリチウムイオン二次電池の固体電解質用NASICON型酸化物粒子の製造方法
Li 1+x M 2 (PO 4 ) 3 ・・・(1)
(式(1)中、Mは、金属(M)化合物におけるMと同義であり、xは、0≦x≦4、x+(Mの価数)×2=8を満たす数を示す。)。 The following steps (I)-(II):
(I) Lithium compounds, metals (M) (M is Ca, Al, Cu, Co, Fe, Ni, Ga, Cr, Sc, In, Y, La, Zn, Si, Mn, Zr, Ge, Nd, (1 or 2 or more selected from Sr, Sn, Hf, V, and Zr.) A mixed liquid having a pH of 0.5 to 3 at 25° C. by mixing a compound and a phosphoric acid compound with a solvent. (II) NASICON-type oxide particles for a solid electrolyte of a lithium ion secondary battery represented by the following formula (1), comprising a step of spray pyrolyzing the obtained mixed solution at 600 ° C. to 1000 ° C. manufacturing method
Li1 +xM2 ( PO4 ) 3 ( 1 )
(In Formula (1), M has the same meaning as M in a metal (M) compound, and x represents a number that satisfies 0≦x≦4 and x+(valence of M)×2=8) .
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