JP2009081002A

JP2009081002A - リチウム二次電池用正極活物質の製造法、正極活物質及びリチウム二次電池

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Publication number: JP2009081002A
Application number: JP2007248441A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Abe; 英俊阿部; Tomomune Suzuki; 智統鈴木; Kiyoshi Kanemura; 聖志金村; Kaoru Dotsuko; 薫獨古; Mitsumasa Saito; 光正斉藤
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP5314264B2

Abstract

【課題】オリビン型リン酸Mリチウム(Mは2価の金属)から成る正極活物質の該金属の電解液に対する溶出量の低減をもたらし、長期に亘り安定した而も高放電容量のリチウム二次電池をもたらすリチウム二次電池用正極活物質の製造法を提供する。
【解決手段】一次粒子の平均粒子径1ミクロン未満のオリビン型Mリン酸リチウム(Mは2価の金属)の粉末を原料とし、これを真空下又は不活性雰囲気下で焼結し、次いで得られた焼結体を粉砕することを特徴とする製造法に存する。而して、この製造法で製造されたオリビン型Mリン酸リチウムから成るリチウム二次電池用正極活物質粉末、或いはこれと炭素源との複合体から成る正極活物質粉末をリチウム二次電池の正極として用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、リチウム二次電池用正極活物質の製造法、正極活物質及びリチウム二次電池に関する。

従来、正極活物質として、オリビン型リン酸Mリチウム(Mは2価の金属)を用いて作製した正極と、負極活物質として炭素系材料などリチウム金属、リチウム合金或いはリチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を用いた負極とを組み合わせ、電解液として非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池(以下、単にリチウム二次電池と称する)は、従来の鉛二次電池やニッケル−カドミウム二次電池などに比し、軽量で放電容量も大きいことから、各種の電子機器に広く用いられている。この場合、2価の金属のうち、特に、産出量が多く安価で安定した鉄を原料として用いて製造したオリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO₄)系を正極活物質を用いて製造した正極を具備したリチウム二次電池が好ましく使用されている。オリビン型燐酸Mリチウム及びこれを用いたリチウム二次電池に関する発明に係る特許文献1〜7を以下に例示する。
特許文献1には、アルカリ金属元素と遷移金属元素と燐酸化合物とを焼成してオリビン型燐酸Mリチウムから成る正極活物質を製造することと、これを正極として用いて、放電電圧が高く、充放電特性の優れたリチウム二次電池を提供する発明が開示されている。
特許文献2には、アルカリ金属元素と周期表第IV族〜第VII族の元素とアルカリ金属含有鉄複酸化物を窒素ガス中で或いは鉄が3価の場合は還元雰囲気下で焼成してLiFePO₄などオリビン型燐酸Mリチウムを含む正極活物質を製造することと、これを正極として用いて、充放電特性に優れた低コストのリチウム二次電池を提供する発明が開示されている。
特許文献3には、一般式LiFeXPO₄で与えられるオリビン型リン酸化合物(但し、Xはリン酸化合物を構成している状態では、リチウム金属の標準電位に対し3〜4Vの電位領域で電気化学的に安定なコバルト、ニッケルなどの金属元素)から成る正極活物質を焼成により製造することと、これを正極として用い、安価で4V以下の電圧で充放電可能なリチウム二次電池が開示されている。
特許文献4には、オリビン型リン酸鉄リチウム系材料粉末上に、導電性で、且つ該リン酸鉄リチウム系材料の正極活物質としての酸化還元電位よりも貴な金属粒子を担持せしめた一般式LiFeXPO₄(但し、Xはマグネシウム、コバルト、ニッケル、亜鉛の少なくとも1種)で表される正極活物質を焼成により製造することと、これを正極として用いて安価なリチウム二次電池を提供する発明が開示されている。
特許文献5には、リチウム塩と鉄塩とを含有するリン酸水溶液に水溶性有機還元剤を混合して混合水溶液を調整し、当該混合水溶液にアルカリ溶液を混合してリチウムと鉄との複合リン酸化物の共沈体を生成させ、次いで、該共沈体を焼成することにより、LiFePO₄から成る正極活物質を合成する方法とこれを正極として用いて、製造コスト安価で且つ簡便なリチウム二次電池を提供する発明が開示されている。
特許文献6には、LiFePO₄の粒子表面を炭素質物質で被覆して成り且つ平均粒径を0.5μmとしたリチウム系鉄リン系複合酸化物炭素複合体から成る正極活物質の製造法とこれを正極として用いて、特に放電容量が高いリチウム二次電池を提供する発明が開示されている。
特許文献7には、LiFe(II)PO₄から成る正極活物質を、その成分原料であるLi源、Fe源、P源、C源、O源を含有する溶液、分散液又は懸濁液を高温雰囲気中に噴霧して前駆体とし、この前駆体を還元性雰囲気又は不活性雰囲気中で80〜1000℃で熱処理して製造すること、これを正極として用いて高い充放電容量(特に放電容量)、安定した充放電サイクル性能を有し、高出力のリチウム二次電池を提供する発明が開示されている。
特開平9-134724号公報特開平9-134725号公報特開2001-85010号公報特開2001-110414号公報特開2002-117831号公報特開2003-292309号公報特開2005-116392号公報

しかし乍ら、特許文献1〜3に開示のオリビン型リン酸Mリチウムから成る正極活物質は、従来正極活物質として用いられてきたLiCoO₂などのリチウム金属酸化物に比べて電気抵抗が非常に大きいため、充放電を行った場合に抵抗分極が増大し、充分な放電容量が得られない。また、充電受け入れ性が悪いなどの問題がある。
このような問題を解決する方法として、オリビン型リン酸Mリチウムの粉末粒子を微細化し、反応面積を増やし、リチウムイオン拡散を容易にすること、正極作製に当たり、該正極活物質粉末にカーボンブラックなどの導電剤粉を混合すること、電子がリン酸Mリチウムの粉末粒子内部を流れる距離を短くすることなどが考えられている。
しかし乍ら、オリビン型リン酸Mリチウム系材料の微細な一次粒子は、正極作製時にカーボンブラック等の導電剤粉と混合する際に二次凝集を起こし易い。凝集粒の内部では、充分な集電効果が得られずに電気抵抗が非常に大きくなる。その結果、凝集粒の中央部の活物質は電池の充放電を行っても電子伝導が起こらず、充放電容量が低下する。一方、微細な一次粒子は大きな表面積となるため、正極作製のスラリー調製では必要な分散媒の量が多くなり、集電基材に対し必要な塗工量が得られ難いこと、乾燥時にひび割れが生じ易いこと、充分な圧縮が困難なために高容量の正極が得られない、電解液に正極活物質の金属の溶出が増大し、リチウム二次電池の寿命が短くなる等の問題がある。
また一般に、オリビン型リン酸Mリチウム系材料の粒子表面はバルクと比較して、結晶性が低いためにアモルファス状になっていると考えられている。このために空気中での放置により二価の金属が酸化され、より抵抗の大きな3価のリン酸塩に変化する。これにより、初充電時に大きな分極を発生するので、放置条件が厳しいことや、活性化が煩雑になることや、抵抗成分が残留する問題もある。
また、上記の特許文献4〜7の特有の課題に言及すれば、特許文献4では、酸化還元電位よりも貴な金属粒子は酸化還元を伴う化学的な変性を受け易く、リチウム二次電池として安定性に問題がある。
特許文献5では、LiFePO₄炭素複合体から成る正極活物質は、リチウム塩と鉄塩とを含有するリン酸水溶液にカーボン源として、カーボンブラックまた他は水溶性有機還元剤を混合した混合水溶液にアルカリ溶液を混合してリチウムと鉄との複合リン酸化物の共沈体を焼成して製造するため、LiFePO₄粒子の表面に対するカーボン粒子の分散効果は不充分であり、充分な集電効果が得られない。
特許文献6及び7では、正極活物質としての粒度制御は困難である。
本発明は、上記従来の発明の課題を解消したオリビン型リン酸Mリチウムから成る正極活物質を製造すること、これを正極として、優れた放電容量維持特性や長期安定性が確保されたリチウム二次電池を提供することを目的とする。

本発明は、請求項1に記載の通り、一次粒子の平均粒子径1ミクロン未満のオリビン型リン酸Mリチウム(Mは2価の金属)の粉末を原料とし、これを真空下又は不活性雰囲気下で焼結することを特徴とするオリビン型リン酸Mリチウムの粉末から成るリチウム二次電池用正極活物質の製造法に存する。
更に本発明は、請求項2に記載の通り、一次粒子の平均粒子径1ミクロン未満のオリビン型リン酸Mリチウム(Mは2価の金属)の粉末を原料とし、これに炭素源を添加混合して成る混合物を真空下又は不活性雰囲気下で焼結し、得られた焼結体を粉砕することを特徴とするオリビン型リン酸Mリチウムと炭素の複合体の粉末から成るリチウム二次電池用正極活物質の製造法に存する。
更に本発明は、請求項3に記載の通り、Mは、鉄、ニッケル、コバルト又はマンガンである。
更に本発明は、請求項4に記載の通り、上記の発明の製造法において製造したリチウム二次電池用正極活物質。
更に本発明は、請求項5に記載の通り、上記の発明に係るリチウム二次電池用正極活物質を用いて作製した正極を具備したことを特徴とするリチウム二次電池に存する。
更に本発明は、請求項6に記載の通り、20ミクロン以下の粒子から成るリチウム二次電池用正極活物質を用いて作成した正極を具備したことを特徴とする請求項5に記載のリチウム二次電池に存する。

請求項1に係る発明によれば、焼結により、二次凝集を起こさない、従って、集電効果が向上するばかりでなく、結晶成長した、更には、焼結前の正極活物質に比し、導電性や到達密度が著しく向上した正極をもたらすオリビン型リン酸Mリチウムから成る正極活物質が得られる。請求項2に係る発明により製造されたオリビン型リン酸Mリチウムと炭素源との焼結型複合体から成る安定堅牢な正極活物質が得られる。
請求項3に係る発明によれば、上記の請求項1又は2に係るリチウム二次電池の製造法において、鉄、ニッケルなどの2価の金属を用いることが好ましい。
請求項4に係る発明の正極活物質を用いて作製した請求項5に係る正極を具備したリチウム二次電池は、該正極に用いた本発明の該正極活物質は、焼結前の正極活物質を用いて作製した正極を具備したリチウム二次電池に比しフロート充電や放置による電解液への正極活物質の金属の溶出性を著しく減少でき、従って、充放電における容量維持率の向上をもたらし、長期に亘り安定良好なリチウム二次電池をもたらす。
また、請求項6に係る発明によれば、20ミクロン以下の正極活物質を用いた正極作製時のそのスラリーの調製において分散媒の量が少なくて済み、所要の塗工量で済み、乾燥時にひび割れを生ずることなく、而も高密度に圧縮された高容量の正極を製造することができる。

本発明の実施の形態例を以下詳述する。
本発明は、従来公知の任意の方法である液相反応又は固相反応法を用いて合成したオリビン型リン酸Mリチウムから成る正極活物質粉体(但し、Mは2価の金属)を本発明の正極活物質製造法の原料とする。
即ち、従来の所望の合成法に従い、目的とするオリビン型リン酸Mリチウムを合成するが、例えば、その組成成分素材として、例えば、リン酸リチウム、2価又は3価の遷移金属の少なくとも1種の金属化合物とを所望の溶液を添加し、或いは添加することなく混合し、その混合物を大気中やアルゴンなどの不活性雰囲気下で焼成することにより合成する。合成されたオリビン型リン酸Mリチウム(Mは2価の金属)から成る正極活物質が得られる。
Mで表した2価の金属は、Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Mg、Zn、Ca、Cd、Sr、Baから成る群から選んだ少なくとも1種である。特に、オリビン型リン酸Mリチウム合成用素材として、3価の遷移金属を用いた場合は、前記の加熱反応時には、水素ガスなどの還元雰囲気下で焼成し、これを2価の金属とする。
また、炭素源としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイトカーボン、カーボンブラックなどの粉末やアスコルビン酸、フェノール、ピロガロールなどのフェノール誘導体などの水溶性有機還元剤などが用いられる。

本発明は、上記のように従来の所望の合成法により合成したオリビン型リン酸Mリチウムから成る該正極活物質粉末を原料とし、これを不活性雰囲気下又は真空中で焼結することにより、正極活物質を製造し、これを用いて作製した正極を具備したリチウム二次電池は、焼結前の該正極活物質粉末を用いて作製した正極を具備したリチウム二次電池に比し、長期安定性、放電容量などが改善されたリチウム二次電池を得ることができることを確認した。この正極活物質の製造法において、本願の発明者等は、該正極活物質を構成する粒子は、1ミクロン未満の粒子に限り焼結が可能であるが、1ミクロン以上のオリビン型リン酸Mリチウムの正極活物質の粒子は、焼結現象を起こさないことを知見したことである。この知見に基づき、従って、本発明の特に特徴とするところは、1ミクロン未満の上記の正極活物質粒子を焼結することに在る。その焼結温度は400℃〜900℃の範囲、好ましくは500℃〜800℃の範囲である。
従って、従来の所望の合成法で合成した該正極活物質粉末の全てが1ミクロン未満の粒子であれば、これをそのまま原料として用い、或いは1ミクロン以上の粒子と混在している場合は、該粉末を篩分けして1ミクロン未満の粉末のみを分取してこれを原料として用い、その残余の1ミクロン以上の粒子のものはボールミルなどにより1ミクロン未満の粒子になるまで粉砕して原料とし、該粉末の全てが1ミクロン以上の粒子から成るときは、その全てをミリングして1ミクロン未満の粒子に粉砕して、これを原料とする。また、固相反応法で合成した場合は、通常団塊状で合成されるので、これをボールミルなどで1ミクロン未満になるまで粉砕して原料とする。

以下は、本発明の更に詳細な実施の形態例として、オリビン型リン酸MリチウムのMとして、特に、資源豊富で且つ安価な鉄を用いて合成されるオリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO₄)を原料として本発明の正極活物質を製造する方法などにつき説明する。

リン酸鉄リチウムから成る正極活物質原料の作製:
先ず、本発明を実施する前に、例えば、水熱法により比較的高純度で且つナノオーダーの粒子のみから成るリン酸鉄リチウムから成る正極活物質を合成した。即ち、その合成素材として、リン酸リチウム463g及び2価の鉄化合物として、例えば、2価の塩化鉄4水和物795gを、蒸留水2000mlと共に、耐圧容器(オートクレープ)内に投入し、撹拌混合し、次いで、該容器内をアルゴンガスで置換した後密閉した。この耐圧密閉容器を180℃のオイルバス中で、48時間反応させた。次いで、室温まで放冷した後、反応物を取り出し、100℃で乾燥させて粉末を得た。得られた粉末はX線回折パターンにより、リン酸鉄リチウムであることを確認した。また、走査型電子顕微鏡(SEM)観察から、その粉末は20nm〜200nmの範囲の粒径を有することを確認した。
実施例1
上記に合成したリン酸鉄リチウム粉末10gを原料とし、これをルツボに入れた後、これを真空ガス置換炉に入れた。該炉内を窒素ガス置換後に真空状態とし、300℃で3時間の焼成処理を行った後、800℃で3時間の焼結処理を行った。次いで、室温まで放冷後に、炉からルツボを取り出して中の該正極活物質の焼結試料を採取した。該試料は深緑色の塊であった。これをコーヒーミルで粉砕した。次いで、これを篩分けにより20ミクロン以下の粒子から成る正極活物質粉末を得た。この粉末にアセチレンブラックを全体の5%投入し、ボール径10mmのボールミルで1時間の混合を実施した。かくして、リン酸鉄リチウム粉末と炭素の混合型複合体から成る正極活物質を製造した。以下この試料粉体を実施品1と称する。

図1は、焼結前の原料である正極活物質粉末の倍率10,000の走査電子顕微鏡(SEM)写真、図2は、図1に示す正極活物質の焼結後の図1と同じ倍率の走査電子顕微鏡(SEM)写真を示す。
図1に示す焼結前の粉末のナノ粒子は、焼結後は図2に示すように、ミクロンオーダーに成長し、丸みを帯び且つ平滑な大きな粒子結晶になることが確認された。
図3は、焼結前の粉末及び焼結後の粉末の夫々のX線回折パターンを示す。これから明らかなように、焼結の前後で、基本回折パターンは変化しないことが確認できた。焼結による結晶子サイズは、例えば、(020)では413Åから524Åに増大した。
このような焼結処理により、粒子の表面積の減少と結晶性向上をもたらし、その結果、下記に明らかにするように、正極活物質中の金属の電解液への溶出量の減少効果をもたらし、正極製造時に集電金属基板にペースト状で塗工する場合の正極活物質かさ密度の増大と塗膜層の高密度化による高容量化などの効果をもたらす。
実施例2
上記の合成したリン酸鉄リチウム粉末10gを原料とし、これと炭素源としてショ糖を主成分として転化糖が添加された市販の砂糖1gとを混合し、該混合物に蒸留水を10ml投入してよく撹拌混合後、100℃で2時間乾燥した。次いで、これをルツボに入れた後、これを真空ガス置換炉内に入れ、窒素ガスで置換後に真空状態にして、300℃で5時間の焼成を行った後、800℃で5時間の焼結処理を行った。次いで、これを室温まで放冷後、炉からルツボを取り出して中の焼結体を採取した。該焼結体は黒色の塊であった。これをコーヒーミルで粉砕後、篩分けにより20ミクロン以下の粒子から成る本発明の正極活物質と炭素との焼結複合体から成る粉末を得た。以下この試料粉体を実施品2と称する。尚、熱重量分析によるこの試料粉体中に含有する炭素量は1.5%であった。
比較例1
上記の合成したリン酸鉄リチウム粉末10gに、アセチレンブラックを全体の5%投入し、ボール径10mmのボールミルで1時間の混合、粉砕を行って、リン酸鉄リチウムと炭素との混合型複合体から成る正極活物質粉末を得た。以下この試料粉体を比較品1と称する。
比較例2
リン酸第一鉄含水塩(Fe₃(PO₄)₂・8H₂O)10gと前記のリン酸リチウム(Li₃PO₄)2.4gをミキサーで充分乾式混合した。次いで蒸留水10mlにポリエチレングリコール3g溶解した溶液に撹拌下に1時間浸漬し、次いで、減圧下に乾燥して溶媒を除去した。この混合物を粒径8mmのアルミナビーズで乾式ビーズミル装置を用いて粉砕処理し、反応前躯体を得た。次に、この反応前駆体10gをハンドプレスにより44MPaでプレス成形した。次いで、この圧縮成形品を窒素雰囲気下で600℃で5時間焼成し、冷却後、粉砕、分級して燐酸鉄リチウム粒子表面に炭素が被覆された焼成型複合体から成る正極活物質粉末を得た。以下この試料粉体を比較品2と称する。この試料粉末の主体であるリン酸鉄リチウムの粒径は、0.2〜2ミクロン程度と、前記の水熱法で合成されたリン酸鉄リチウム原料のナノ粒径に比して著しく大きいことが判明した。尚、熱重量分析により、該比較品の炭素含有量は5.3%であることを確認した。

次に、上記で得た実施品1、実施品2、比較品1及び比較品2の炭素含有量の他、Ｘ線回折による(020)結晶子長、粉体抵抗計による20kN加圧時の到達密度と導電率を測定した。即ち、秤量した粉体試料をシリンダに入れて、設定荷重でピストンで試料圧縮したときの直流抵抗を粉体抵抗計により測定することで導電率、圧縮時の変位により到達密度を測定した。尚、比較のために、焼結前の前記の合成し、且つ原料として使用したリン酸鉄リチウムについても上記の各測定項目について測定した。その結果を下記表1に示す。

表1から明らかなように、本発明の実施例1及び2により夫々得られる実施品1及び2を、比較例1及び2より夫々得られる比較品1及び2と対比すると、焼結に伴う結晶成長(Å)が(020)結晶子の成長が認められた。また、到達密度(g/cc)は、比較品1及び2のそれに比し著しく大きな2.4以上が得られた。また、導電率については、特に実施品2は、炭素含有量1.5%と実施品1、比較品1及び2の炭素含有率5%に比し著しく少ないにも拘らず、桁違いに導電率が増大することが確認された。これは、砂糖の焼結により生成した炭素粒子がオリビン型リン酸鉄リチウムの粒子の表面を効率良く被覆するからであると推定される。
尚、本発明の製造法による焼結処理効果は、その製造法の原料として使用する焼結前の合成されたリン酸鉄リチウムについての上記と同じ測定項目の夫々の数値と比較すると更に明らかである。

次に、実施品1、実施品2、比較品1、比較品2及び原料リン酸鉄リチウムにつき、高温の電解液に対するFe溶出量を試験するべく、夫々の粉末中のリン酸鉄リチウムが5gになるように、80℃の非水電解液(EC:EMCが3:7の割合の溶媒20gに溶質としてLiPF₆1モルを溶解したもの)に投入し、同温度で10日間放置した後、夫々の電解液中に溶出したFeの濃度を原子吸光分析法により測定した。その結果を下記表2に示す。

上記表2から明らかなように、本発明の製造法により製造した実施品1及び2ではリン酸鉄リチウム粉末の粒子が焼結によりその表面積が著しく減少したために、電解液への鉄の溶出を比較品1及び2に比し、大きく抑制することができたと推察される。このことは、本発明により製造した正極活物質をリチウム二次電池の正極として用いた場合に、長期間に亘り安定な電池が得られる効果をもたらす。

実施品1,2及び比較品1,2の4種類を夫々用いて、次のように正極を夫々作製した。
即ち、上記4種類の夫々の粉末に、導電剤としてアセチレンブラックを全炭素量として10%となるように添加、混合した。その夫々の混合粉末と結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、重量比95:5の割合で混合し、更に、これにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を添加し、充分混練して、夫々の正極スラリーを調製した。次いで、その夫々の正極スラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔から成る集電体に100g/m²の塗工量で塗布し、次いで、120℃で30分間乾燥した。その後、これをロールプレスで2.0g/ccの密度になるように圧延加工した後、2cm²の円盤状に打ち抜いて夫々の正極を作製した。
このようにして得られた4種類の正極は、使用した上記の4種類の正極活物質のかさ密度が異なるため、その夫々の塗工厚が異なり、表1に示す到達密度が高いほど、塗工厚の薄い正極が得られた。即ち、実施品1及び2を用いて作製した正極の塗工厚は、比較品1及び2の塗工厚よりは肉薄の正極が得られた。一方、比較品1及び2を用いて作製した正極の密度の上昇が困難であり、所定密度に達するが、その塗工膜は一部で集電体からの剥離が観察された。下記する電池試験には剥離がない部分を選択して用いた。
また、一般に、オリビン型リン酸鉄リチウムから成る正極活物質は他種の正極活物質と比較して真密度が2/3程度しかないので、実用上の正極として、更に厚く充填密度が高い正極が求められるので、本発明に係る実施例1及び実施例2のような製造法により製造した実施品1や2のような正極活物質を正極として用いることにより容易にその要求に応じた正極の工業生産が実現できることになる。尚また、正極スラリー調整や塗工性を考慮すると、20ミクロン以下に粉砕した本発明の正極活物質を用いることが好ましいことが判った。

次に、このようにして作製した4種類の正極と下記する負極とセパレータと非水電解液とから成る構成部材を用いて、次のように4種類のリチウム二次電池を製造した。
即ち、負極材料として人造黒鉛(平均粒径5μm、d₀₀₂=0.337nm、Lc=58nm)を用い、これとポリフッ化ビニリデン(PVdF)を重量比95:5の割合で混合し、更に、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を加えて充分混練し、負極ペーストを調製した。次いで、前記負極ペーストを厚さ15μmの銅箔の集電体上に塗布し、25℃の常温中で自然乾燥後、更に減圧下130℃で12時間乾燥した。その後、ロールプレスで圧延加工し、正極と同じ2cm²の円盤状に打ち抜いて負極を作製した。
電解液としては、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比1:1の割合で混合した混合溶媒に、LiPF₆を1Mの濃度で溶解して電解液を作製した。電解液中の水分量は15ppmとした。
上記の4種類の正極、負極、電解液を用いて4種類のコイン型リチウム二次電池を製造した。この場合、正,負極間に介在させるセパレータは、ポリプロピレンなどの高分子多孔フィルムとその他公知のものが選択使用される。尚、その製造時の雰囲気は露点が-50℃以下とした。正,負の各極は集電体の付いた電槽缶に圧着して用いた。かくして、直径25mm、厚さ1.6mmの4種類のコイン型リチウム二次電池を製造した。上記の実施品1、実施品2、比較品1、比較品2を用いて製造した電池を以下実施品1の電池、実施品2の電池、比較品1の電池、比較品2の電池と夫々称する。

リチウム二次電池の放電容量試験:
上記4種類の各電池を夫々多数個用意し、低率での充放電を10サイクル行った。このときの充電条件は、電流0.1CA、電圧4.1Vの定電流定電圧充電とし、放電条件は、電流0.1CA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。温度は全て25℃とした。10サイクル目の放電容量を夫々測定した。11サイクル目は高率放電試験を実施し、5CAの高率放電容量を測定した。容量は充填したリン酸鉄リチウムの1g当たりの容量とした。尚、試験温度は全て25℃とした。上記の夫々の測定結果を下記表3に示す。

表3が示すように、実施品1,2の電池は、比較品1,2の電池に比し、放電容量は僅かに低下しているが、実用上、遜色のない率別放電特性等を示すことを確認した。

リチウム電池の高温フロート充電特性試験:
上記4種類の各電池につき、次のように試験を行った。即ち、充電設定電圧4.1Vにして、60℃で3ヶ月の高温フロート充電特性試験を行った。試験後に常温に戻してから0.1CAで放電して容量を測定した。
その結果を下記表4に示す。

表4から明らかなように、実施品1の電池と実施品2の電池は、比較品1及び比較品2の電池に比し著しく優れた容量維持率を示した。これは本発明の焼結処理によるFe溶出抑制効果のために、負極へのFe移動量が減少してSEIの機能障害を抑制したためと推察される。
以上説明したように、本発明により製造されたオリビン型リン酸Mリチウムは、これと導電剤炭素との複合体から成る正極活物質とするときは、正極作製時のスラリー塗工性が改善されると共に充填密度向上の効果をもたらし、更にこれを正極として用いたリチウム二次電池は、長期間安定した電池をもたらす。

尚また、本発明の焼結時は、真空下での焼結に代えて、アルゴンガスなどの不活性雰囲気下で焼結しても、同様の正極活物質が得られることは言うまでもない。
尚また、上記の実施例では、オリビン型リン酸MリチウムのMがFeである1ミクロン未満の粒子から成る正極活物質を原料としたが、Feより製造コストが高価であり、資源も乏しいが、Ni、Co、Mnなど2価の金属をFeに代えた夫々の正極活物質を原料としてもFeを用いた場合と同様の特性と効果をもたらす正極活物質が得られ、これと炭素との混合又は焼結型複合体から成る正極活物質、これを用いて製造した正極を具備したリチウム二次電池が得られる。

更に、本発明の1ミクロン未満の粒子から成るオリビン型Mリン酸リチウムに炭素粉末などの炭素源との混合物を真空下又は不活性雰囲気下で焼結し、得られた焼結体を粉砕して本発明のオリビン型リン酸Mリチウム粒子と炭素とから成る焼結型複合体から成る正極活物質の製造法の実施例につき説明する。
以下の実施例3〜5の製造法を行うに当たり、実施例1に用いたと同じ20nm〜200nmの粒径から成る上記の水熱法で合成されたオリビン型リン酸鉄リチウム粉末を原料として用意する。
実施例3
上記に合成したリン酸鉄リチウム粉末10gを原料とし、これと炭素源としてアセチレンブラックを全体の5%をボール径10mmのボールミルで1時間混合粉砕し、黒色の粉末を得た。これをルツボに入れ、これを炉内に入れ、窒素雰囲気下で300℃で5時間焼成後、800℃で5時間焼結処理を行った。次いで、室温まで放冷後に、ルツボを取り出して中の試料を採取した。これをコーヒーミルで粉砕した。次いで、これを篩分けにより20ミクロン以下の粒子から成る本発明のリン酸鉄リチウム粉末と炭素との焼結複合体から成る正極活物質粉末を製造した。この試料粉体を実施品3と称する。

図4は、実施品3の倍率10,000の走査電子顕微鏡(SEM)写真を示す。これにより、この焼結後の正極活物質粉末の粒子は、図2の実施品1と同様、ミクロンオーダーに成長し、大きな粒子結晶になることが確認された。
また、実施品3の粉末のX線回折パターンより、基本パターンは焼結によっても変化しないことを確認した。焼結による結晶子サイズは、例えば、(020)では415Å〜615Åに増大した。

実施例4
上記に合成したリン酸鉄リチウム粉末10gを原料とし、これと炭素源としてアセチレンブラックを全体の5%をアセトン中で湿式分散し均一な混合液とし、これをルツボに入れた後乾燥処理し、黒色の混合粉末を得た。次いで、これを炉内に入れ、窒素雰囲気下で300℃で5時間焼成後、800℃で5時間焼結処理を行った。次いで、室温まで放冷後に、ルツボを取り出して中の試料を採取した。これをコーヒーミルで粉砕した。次いで、これを篩分けにより20ミクロン以下の粒子から成る本発明のリン酸鉄リチウム粉末と炭素との焼結複合体から成る正極活物質粉末を製造した。この試料粉体を以下実施品4と称する。
実施例5
上記に合成したリン酸鉄リチウム粉末10gを原料とし、これと炭素源としてアセチレンブラックを全体の5%とショ糖を全体の10%とを混合し、これを蒸留水中で湿式分散し均一な混合液とし、これをルツボに入れた後乾燥処理し、黒色の混合粉末を得た。次いで、これを炉内に入れ、窒素雰囲気下で300℃で5時間焼成後、800℃で5時間焼結処理を行った。次いで、室温まで放冷後に、ルツボを取り出して中の試料を採取した。これをコーヒーミルで粉砕した。次いで、これを篩分けにより20ミクロン以下の粒子から成る本発明のリン酸鉄リチウム粉末と炭素との焼結複合体から成る正極活物質粉末を製造した。この試料粉体を以下実施品5と称する。

次に、上記で得た実施品3、実施品4及び実施品5の炭素含有量、Ｘ線回折による(020)結晶子長、粉体抵抗計による20kN加圧時の到達密度と導電率を測定した。即ち、秤量した粉体試料をシリンダに入れて、設定荷重でピストンで試料圧縮したときの直流抵抗を粉体抵抗計により測定することで導電率、圧縮時の変位により到達密度を測定した。その結果を下記表5に示す。

表5から明らかなように、本発明の実施例3,4及び5により得られる実施品3,4及び5を、前記の比較例1及び2より得られる比較品1及び2と対比すると、焼結に伴う結晶成長(Å)が(020)結晶子の成長が認められた。また、表1に示す実施品1,2よりも大きな成長が認められた。また、到達密度(g/cc)は、比較品1及び2のそれに比し著しく大きな2.4以上が得られ、また、実施品3及び4の導電率は、炭素含有率が比較品1及び2及び実施品1に比し少ないに拘らず、導電率の増大が確認された。

次に、実施品3、実施品4、実施品5につき、高温の電解液に対するFe溶出量を試験するべく、夫々の粉末中のリン酸鉄リチウムが5gになるように、80℃の非水電解液(EC:EMCが3:7の割合の溶媒20gに溶質としてLiPF₆1モルを溶解したもの)に投入し、同温度で10日間放置した後、夫々の電解液中に溶出したFeの濃度を原子吸光分析法により測定した。その結果を下記表6に示す。

上記表2から明らかなように、本発明の製造法により製造した実施品3,4及び5
ではリン酸鉄リチウム粒子が焼結によりその表面積が著しく減少したために、電解液への鉄溶出を加圧焼成した比較例2に比し、大きく抑制することができたと推察される。このことは、本発明により製造した正極活物質をリチウム電池の正極として用いた場合に、長期間に亘り安定な電池が得られることを示唆する。

実施品3,4及び5の3種類の粉末を夫々用いて、前記の実施品1,2の粉末を夫々用いて作製したと同じ製法で、夫々の正極を作製した。
このようにして得られた3種類の正極は、実施品1及び2を用いて作成した正極の場合と同様に、比較品1及び2の塗工厚より肉薄の塗工厚の正極として得られた。

次に、このようにして実施品3,4,5を用いて作製した3種類の正極と下記する前期の実施品1,2を用いて電池を製造した場合に用いたと同じ共通の負極と非水電解液とを用いて、実施品3の電池、実施品4の電池及び実施品5の電池から成る3種類のリチウム二次電池を製造した。

リチウム二次電池の放電容量試験:
上記3種類の各電池を夫々多数個用意し、低率での充放電を10サイクル行った。このときの充電条件は、電流0.1CA、電圧4.1Vの定電流定電圧充電とし、放電条件は、電流0.1CA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。温度は全て25℃とした。10サイクル目の放電容量を夫々測定した。11サイクル目は高率放電試験を実施し、5CAの高率放電容量を測定した。容量は充填したリン酸鉄リチウムの1g当たりの容量とした。尚、試験温度は全て25℃とした。上記の夫々の測定結果を下記表7に示す。

表7から明らかなように、実施品3,4,5の電池の放電容量は、比較品1,2の電池と略同等かそれ以上となる。

リチウム電池の高温フロート充電特性試験:
上記4種類の各電池につき、次のように試験を行った。即ち、充電設定電圧4.1Vにして、60℃で3ヶ月の高温フロート充電特性試験を行った。試験後に常温に戻してから0.1CAで放電して容量を測定した。
その結果を下記表8に示す。

表8から明らかなように、実施品3の電池、実施品4の電池及び実施品5の電池は、比較品1及び比較品2の電池に比し著しく優れた容量維持率を示した。これは本発明の焼結処理によるFe溶出抑制効果のために、負極へのFe移動量が減少してSEIの機能障害を抑制したためと推察される。

本発明の正極活物質の製造法の原料として用いる正極活物質粉末の焼結前の図面代用走査型電子顕微鏡(SEM)写真。上記の正極活物質粉末の焼結後の図面代用走査型電子顕微鏡(SEM)写真。上記の正極活物質の焼結前と焼結後のX線回折パターンを示す比較図。本発明の正極活物質の製造法の他の実施例で製造した焼結処理後の正極活物質粉末の図面代用走査型電子顕微鏡(SEM)写真。

Claims

一次粒子の平均粒子径1ミクロン未満のオリビン型リン酸Mリチウム(Mは2価の金属)の粉末を原料とし、これを真空下又は不活性雰囲気下で焼結することを特徴とするオリビン型リン酸Mリチウムの粉末から成るリチウム二次電池用正極活物質の製造法。
一次粒子の平均粒子径1ミクロン未満のオリビン型リン酸Mリチウム(Mは2価の金属)の粉末を原料とし、これに炭素源を添加混合して成る混合物を真空下又は不活性雰囲気下で焼結し、得られた焼結体を粉砕することを特徴とするオリビン型リン酸Mリチウムと炭素の複合体から成るリチウム二次電池用正極活物質の製造法。
Mは、鉄、ニッケル、コバルト又はマンガンである請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造法。
請求項1,2又は3に記載の製造法で得られたリチウム二次電池用正極活物質。
請求項4に記載のリチウム二次電池用正極活物質を用いて作製した正極を具備したことを特徴とするリチウム二次電池。
20ミクロン以下の粒子から成るリチウム二次電池用正極活物質を用いて作製した正極を具備したことを特徴とする請求項5に記載のリチウム二次電池。