WO2012090749A1 - リチウム二次電池用正極活物質の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, particularly a spinel type (Fd-3m) lithium transition metal oxide.
- Lithium batteries especially lithium secondary batteries, have features such as high energy density and long life, and power supplies for home appliances such as video cameras and portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones. Is widely used. Recently, application to large batteries mounted on electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and the like is expected.
- EV electric vehicles
- HEV hybrid electric vehicles
- a lithium secondary battery is a secondary battery with a structure in which lithium is extracted as ions from the positive electrode during charging, moves to the negative electrode and is stored, and reversely, lithium ions return from the negative electrode to the positive electrode during discharging. It is known to be due to the potential of the material.
- lithium transition metal oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 having a layer structure, LiMn 2 O 4 , and LiNi 0.5 Mn.
- LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 having a layer structure, LiMn 2 O 4 , and LiNi 0.5 Mn examples of the lithium transition metal oxide that can be used as the positive electrode active material of the lithium secondary battery
- lithium transition metal oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 having a layer structure, LiMn 2 O 4 , and LiNi 0.5 Mn.
- a lithium transition metal oxide having a manganese-based spinel structure (Fd-3m) such as 1.5 O 4 is known.
- spinel-type lithium transition metal oxides are focused on as a positive electrode active material for large batteries such as electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV) because they are inexpensive, non-toxic, and highly safe. Has been. Moreover, excellent output characteristics are particularly required for batteries for EVs and HEVs. In this regard, insertion and desorption of Li ions are three-dimensionally compared with lithium transition metal oxides such as LiCoO 2 having a layer structure. Possible spinel-type lithium transition metal oxides are particularly excellent in output characteristics.
- the present invention can further improve the life characteristics even when the spinel-type lithium transition metal oxide is washed with water or the like (referred to as “water washing”), and more preferably, the magnetic deposit concentration is effectively increased. It is an object of the present invention to provide a new method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery that can be reduced to a low level.
- the present invention relates to a lithium step comprising a washing step of washing a spinel-type lithium transition metal oxide powder in contact with a polar solvent, followed by a drying step of drying by heating to 300 to 700 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
- a method for producing a positive electrode active material for a secondary battery is proposed.
- the present invention also provides a washing process in which a spinel-type lithium transition metal oxide powder is brought into contact with a polar solvent to form a slurry, and the slurry obtained in the washing process is put into a wet magnetic separator to collect magnetic deposits attached to a magnet.
- a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery is proposed, which includes a magnetic separation step that is removed in this manner, and a drying step that is followed by drying by heating to 300 to 700 ° C. in an atmosphere containing oxygen.
- the “spinel-type lithium transition metal oxide” targeted by the present invention includes a spinel-type (Fd-3m) lithium transition metal oxide having an operating potential of about 4 V, as well as a 5V-class spinel type (Fd-3m). ) Lithium transition metal oxides (referred to as “5V grade spinels”). As a 5V class spinel, for example, a part of the Mn site in LiMn 2 O 4 is replaced with another 3d transition metal (Cr, Co, Ni, Fe, Cu) to have an operating potential of about 5V. Li 1.0 Mn 1.5 Ni 0.5 O 4 and the like can be given as typical examples.
- impurities such as sulfide existing on the particle surface can be removed by washing the spinel type lithium transition metal oxide obtained by firing.
- a sintering aid such as a boron compound
- these sintering aids can be removed, and the battery characteristics can be further improved.
- the life characteristics can be further improved, and the magnetic deposit concentration can be effectively reduced by adding a magnetic separation process as necessary.
- the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present embodiment includes a raw material mixing step of mixing raw materials such as a manganese compound and a lithium salt, and firing for firing the mixed raw materials.
- a step of washing a step of washing the resulting spinel-type (Fd-3m) lithium transition metal oxide powder in contact with a polar solvent such as water, and heating to 300 to 700 ° C. in an atmosphere containing oxygen
- a drying step for drying a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
- Other processes such as a magnetic separation process can be further added to the manufacturing method as necessary.
- the process up to obtaining the spinel-type (Fd-3m) lithium transition metal oxide powder that is, the process up to the firing process is not particularly limited in terms of the present production method. Can be obtained by the method. This embodiment shows a suitable example to the last.
- At least a lithium material and a manganese material may be appropriately selected.
- the lithium raw material is not particularly limited, and lithium salt such as lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), LiOH ⁇ H 2 O, lithium oxide (Li 2 O) ) And other fatty acid lithium and lithium halide.
- lithium hydroxide salts, carbonates and nitrates are preferred.
- manganese raw material any one of manganese compounds such as manganese dioxide, trimanganese tetraoxide, dimanganese trioxide, manganese carbonate, or a mixture of two or more kinds selected from these can be used.
- manganese dioxide chemically synthesized manganese dioxide (CMD), electrolytic manganese dioxide (EMD) obtained by electrolysis, manganese carbonate, or natural manganese dioxide can be used.
- electrolytic manganese dioxide is produced in a manganese sulfate electrolytic bath as described above, and therefore, a relatively large amount of sulfides such as SO 4 are present inside the particles, so that the effects of the present invention can be further enjoyed. It is preferable in that it can be performed.
- a magnesium raw material and an aluminum raw material can also be blended.
- the magnesium raw material is not particularly limited.
- the aluminum raw material is not particularly limited.
- aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), or the like can be used, and aluminum hydroxide is particularly preferable.
- a boron compound By adding a boron compound and firing, sintering of fine particles in which spinel-type lithium transition metal oxide crystal particles are aggregated can be promoted, and dense aggregated fine particles (secondary particles) can be formed. Density) can be increased. At the same time, the formation and growth of spinel-type lithium transition metal oxide crystals can be promoted, so that the crystallite size of the spinel-type lithium transition metal oxide can be increased and the number of interfaces in the primary particles can be reduced to increase the load. The discharge capacity at the discharge (3C) can be increased.
- the boron compound may be a compound containing boron (B element).
- the boron compound added before firing changes in form by firing, it is difficult to specify the form accurately.
- the B element since the boron (B element) is present in a state of being eluted with water, the B element is not a spinel constituent element but may exist outside the spinel as a boron compound in some form. It has been confirmed. Therefore, there is no boron (B element) in the spinel, and there is no clear concentration gradient of boron (B element) on the surface and inside of the crystal particles.
- the boron compound plays a role of promoting the sintering of the spinel type lithium transition metal oxide by adding and baking the boron compound when the spinel type lithium transition metal oxide is fired as described above.
- a substance having a melting point equal to or lower than the firing temperature for example, a compound such as a vanadium compound (V 2 O 5 ), an antimony compound (Sb 2 O 3 ), or a phosphorus compound (P 2 O 5 ) It is considered that the same effect can be obtained.
- the method of mixing raw materials is not particularly limited as long as it can be uniformly mixed.
- the respective raw materials may be added simultaneously or in an appropriate order using a known mixer such as a mixer, and mixed by stirring in a wet or dry manner.
- a known mixer such as a mixer
- wet mixing When adding an element that is difficult to replace, such as aluminum, it is preferable to employ wet mixing.
- Examples of the dry mixing include a mixing method using a precision mixer that rotates mixed powder at a high speed.
- examples of the wet mixing include a mixing method in which a liquid medium such as water or a dispersant is added and wet mixed to form a slurry, and the resulting slurry is pulverized with a wet pulverizer. It is particularly preferable to grind to submicron order. After pulverizing to the submicron order, granulation and baking can increase the uniformity of each particle before the baking reaction, and the reactivity can be increased.
- the raw materials mixed as described above may be granulated to a predetermined size, if necessary, and then fired. However, granulation is not necessarily performed.
- the granulation method may be either wet or dry as long as the various raw materials pulverized in the previous step are dispersed in the granulated particles without being separated, extrusion granulation method, rolling granulation method, fluidized granulation method, A mixed granulation method, a spray drying granulation method, a pressure molding granulation method, or a flake granulation method using a roll or the like may be used. However, when wet granulation is performed, it is necessary to sufficiently dry before firing.
- a drying method at this time it may be dried by a known drying method such as a spray heat drying method, a hot air drying method, a vacuum drying method, a freeze drying method, etc., among which the spray heat drying method is preferable.
- the spray heat drying method is preferably performed using a heat spray dryer (spray dryer).
- a thermal spray dryer spray dryer
- the particle size distribution can be made sharper, and the secondary particles can be formed so as to include agglomerated particles (secondary particles) formed by agglomeration. Forms can be prepared.
- firing is preferably performed at 700 to 1050 ° C., particularly 710 ° C. or higher or 920 ° C. or lower, particularly 720 ° C. or higher or 950 ° C. or lower, particularly 750 ° C. or higher or 940 ° C. or lower.
- the firing temperature means the product temperature of the fired product measured by bringing a thermocouple into contact with the fired product in the firing furnace.
- the firing time that is, the time for maintaining the firing temperature is 0.5 to 90 hours, particularly 1 hour or more and 80 hours or less, more preferably 5 hours or more and 30 hours or less, depending on the firing temperature. preferable.
- the type of firing furnace is not particularly limited. For example, it can be fired using a rotary kiln, a stationary furnace, or other firing furnace.
- the obtained spinel (Fd-3m) lithium transition metal oxide is preferably crushed or pulverized as necessary. At this time, it is preferable that the degree of pulverization or pulverization does not disrupt the primary particles.
- the spinel-type (Fd-3m) lithium transition metal oxide powder (also referred to as “the present lithium transition metal oxide powder”) obtained as described above is brought into contact with a polar solvent to obtain a powder. It is preferable to wash with water so as to release impurities contained therein.
- the lithium transition metal oxide powder includes 5V spinel powder as described above.
- the lithium transition metal oxide powder and the polar solvent may be mixed and stirred to form a slurry, and the resulting slurry may be solid-liquid separated by filtration or the like to remove impurities. At this time, solid-liquid separation may be performed in a later step.
- the slurry means a state in which the lithium transition metal oxide powder is dispersed in a polar solvent.
- water As a polar solvent used for washing with water, it is preferable to use water.
- the water may be city water, but is preferably ion-exchanged water or pure water that has been passed through a filter or a wet magnetic separator.
- the pH of water is preferably 5-9.
- the temperature is preferably 5 to 70 ° C. It is even more preferable that the temperature is 45 ° C. or less. Furthermore, it is even more preferable that the temperature is 30 ° C. or less.
- the reason why the battery characteristics become better if the liquid temperature at the time of washing with water is low is that if the liquid temperature is too high, lithium in the lithium transition metal oxide ion exchanges with protons of ion-exchanged water, and the lithium is released. It can be estimated that this is because it affects
- the amount of the polar solvent brought into contact with the lithium transition metal oxide powder is adjusted so that the mass ratio of the lithium transition metal oxide powder to the polar solvent (also referred to as “slurry concentration”) is 10 to 70 wt%. Among them, it is more preferable to adjust so that it may become 20 wt% or more or 60 wt% or less, and especially it may become 30 wt% or more or 50 wt% or less. If the amount of the polar solvent is 10 wt% or more, it is easy to elute impurities such as SO 4 , and conversely if it is 60 wt% or less, a cleaning effect corresponding to the amount of the polar solvent can be obtained.
- Magnetic separation process In this production method, it is preferable to perform magnetic separation, that is, a treatment for removing impurities magnetically attached to the magnet from the lithium transition metal oxide powder as necessary. By performing magnetic separation, impurities that cause a short circuit can be removed. Such magnetic separation may be performed at any timing of the manufacturing method. For example, it is preferably performed after the water washing step or after the final crushing or pulverization. By carrying out after the last crushing or crushing, iron and the like mixed due to breakage of the crusher or crusher can be finally removed.
- the magnetic separation method either a dry magnetic separation method in which the lithium transition metal oxide powder in a dried state is brought into contact with a magnet, or a wet magnetic separation method in which a slurry of the lithium transition metal oxide powder is brought into contact with a magnet may be used.
- the wet magnetic separation method is preferred in that the present lithium transition metal oxide powder in a more dispersed state, in other words, not agglomerated can be brought into contact with the magnet.
- the lithium transition metal oxide powder and the polar solvent are mixed and stirred in the water washing step to form a slurry, and the slurry obtained in the magnetic separation step is charged into the wet magnetic separator. Then, the impurities separated in the water washing step and the magnetic separation step can be collectively separated and removed from the lithium transition metal oxide powder by filtering thereafter.
- the structure of the wet magnetic separator is arbitrary.
- a magnetic separator having a configuration in which a filter or a fin-like magnet is disposed in a pipe can be exemplified.
- the magnetic force of the magnet used for magnetic separation is preferably 8000 G to 17000 G (Gauss), more preferably 10000 G or more and 17000 G or less. In particular, it is more preferably 12000G or more or 17000G or less. If the magnetic force of the magnet is 10,000 G or more, a desired magnetic separation effect can be obtained. On the other hand, if the magnetic force of the magnet is 17000 G or less, it is possible to prevent removal of necessary objects.
- the lithium transition metal oxide powder and the polar solvent are mixed and stirred to form a slurry.
- the supply rate of the slurry to be subjected to magnetic separation is: From the viewpoint of increasing the magnetic separation efficiency, it is preferably 0.2 to 3.0 m / sec, particularly 0.3 m / sec or more or 2.0 m / sec or less, particularly 0.5 m / sec or more or 1.5 m / sec. It is preferable to set it to sec or less.
- drying is preferably performed by heating to 300 to 700 ° C. in an atmosphere containing oxygen. This temperature is the product temperature of the present lithium transition metal oxide powder.
- This temperature is the product temperature of the present lithium transition metal oxide powder.
- the drying temperature is preferably 300 to 700 ° C., more preferably 340 ° C. or higher, or a lower temperature region than the primary oxygen release temperature.
- the “primary oxygen release temperature” means the temperature at which oxygen is first released when the spinel type lithium transition metal oxide is heated.
- the spinel type lithium transition metal oxide is heated to 600 ° C. It can be determined as the starting temperature (° C) at which the weight decreases in the range of 900 ° C.
- the reason for heating to a temperature lower than the primary oxygen release temperature is that oxygen deficiency occurs when heated to a temperature higher than that.
- the drying atmosphere is preferably performed in an oxygen-containing atmosphere such as air.
- the average water vapor discharge rate is 0.008 g / sec to 300 g / sec, particularly 0.5 g / sec or more or 200 g / sec or less, of which 1.0 g / sec or more. Or it is preferable to process at 150 g / sec or less.
- the water vapor discharge rate is an amount by which water contained in the spinel-type lithium transition metal oxide powder can be evaporated per unit time. In the examples described later, the spinel-type lithium transition metal oxide is used. The time during which 15% of the moisture contained in the product powder can be evaporated is measured and calculated.
- the lithium transition metal oxide obtained by this production method can be effectively used as a positive electrode active material of a lithium battery (henceforth referred to as “the positive electrode active material”).
- the positive electrode active material a positive electrode mixture can be produced by mixing the positive electrode active material, a conductive material made of carbon black or the like, and a binder made of Teflon (registered trademark) binder or the like.
- a positive electrode mixture is used for the positive electrode, for example, a material capable of inserting and extracting lithium such as lithium or carbon is used for the negative electrode, and lithium such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is used for the non-aqueous electrolyte.
- a lithium secondary battery can be constituted by using a salt dissolved in a mixed solvent such as ethylene carbonate-dimethyl carbonate.
- the present invention is not limited to the battery having such a configuration.
- lithium battery is intended to encompass all batteries containing lithium or lithium ions in the battery, such as lithium primary batteries, lithium secondary batteries, lithium ion secondary batteries, lithium polymer batteries, and the like.
- X to Y X and Y are arbitrary numbers
- X is preferably greater than X” or “preferably smaller than Y” with the meaning of “X to Y” unless otherwise specified. Is also included.
- X or more X is an arbitrary number
- Y or less Y is an arbitrary number
- it is “preferably greater than X” or “preferably less than Y”.
- TG-DTA2000S manufactured by Mac Science Co., Ltd.
- This paste is placed on an aluminum foil as a current collector, formed into a coating film with an applicator adjusted to a gap of 250 ⁇ m, vacuum-dried at 120 ° C. all day and night, punched out at ⁇ 16 mm, pressed thick at 4 t / cm 2 , did. Immediately before producing the battery, it was vacuum-dried at 120 ° C. for 120 minutes or more to remove the adhering moisture and incorporated into the battery.
- the average value of the weight of ⁇ 16 mm aluminum foil is obtained in advance
- the weight of the positive electrode mixture is obtained by subtracting the weight of the aluminum foil from the weight of the positive electrode
- the mixture of the positive electrode active material, acetylene black and PVDF The content of the positive electrode active material was determined from the ratio.
- the negative electrode was made of metallic lithium with a diameter of 20 mm and a thickness of 1.0 mm. Using these materials, the electrochemical evaluation cell TOMCEL (registered trademark) shown in FIG. 1 was produced.
- the positive electrode 3 made of the positive electrode mixture is disposed at the inner center of the lower body 1 made of organic electrolyte-resistant stainless steel.
- a separator 4 made of a microporous polypropylene resin impregnated with an electrolytic solution was disposed, and the separator was fixed with a Teflon (registered trademark) spacer 5.
- a negative electrode 6 made of metallic lithium was disposed below, a spacer 7 also serving as a negative electrode terminal was disposed, and the upper body 2 was placed thereon and tightened with screws to seal the battery.
- the electrolytic solution used was a mixture of EC and DMC in a volume of 3: 7, and a solvent in which LiPF 6 was dissolved in 1 mol / L as a solute.
- the initial discharge capacity was obtained by the method described below. That is, in the state charged at 0.1 C to 4.3 V at 20 ° C., the current value was calculated from the content of the positive electrode active material in the positive electrode so as to obtain a 0.1 C discharge rate. The discharge capacity (mAh / g) up to 3.0 V when the constant current was discharged was measured. In addition, about 5V class spinel powder (sample), it charged at 0.1C to 5.2V at 20 degreeC so that it may become a 0.1C discharge rate from the content of the positive electrode active material in a positive electrode. The current value was calculated. The discharge capacity (mAh / g) up to 3.0 V when the constant current was discharged was measured.
- the high temperature characteristic evaluation was performed with the following method. 8.80 g of lithium manganate powder (sample) or 5V class spinel powder (sample) as positive electrode active material obtained in Examples and Comparative Examples, 0.60 g of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo), NMP ( A 5.0 g solution of 12 wt% PVDF (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in N-methylpyrrolidone) was accurately weighed, and 5 ml of NMP was added thereto and mixed well to prepare a paste.
- acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo
- NMP A 5.0 g solution of 12 wt% PVDF (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in N-methylpyrrolidone
- This paste is placed on an aluminum foil as a current collector, coated with an applicator adjusted to a gap of 200 ⁇ m to 310 ⁇ m, vacuum-dried at 120 ° C. all day and night, punched out at ⁇ 16 mm, and press-thickened at 4 t / cm 2 .
- a positive electrode was obtained.
- it was vacuum-dried at 120 ° C. for 120 minutes or more to remove the adhering moisture and incorporated into the battery.
- the average value of the weight of ⁇ 16 mm aluminum foil is obtained in advance
- the weight of the positive electrode mixture is obtained by subtracting the weight of the aluminum foil from the weight of the positive electrode
- the mixture of the positive electrode active material, acetylene black and PVDF The content of the positive electrode active material was determined from the ratio.
- the negative electrode is natural spherical graphite with a diameter of 17.5 mm (Pionix Co., Ltd., electrode capacity 1.6 mAh / cm 2 )
- the negative electrode capacity / positive electrode capacity ratio is adjusted to 1.1 to 1.15
- the electrolyte is EC and DMC.
- Initial activation process Using the electrochemical cell prepared as described above, a charge / discharge test was performed by the method described below, and an initial activation treatment was performed. Initial activation treatment is important in lithium ion batteries. Place the cell in an environmental tester set so that the environmental temperature for charging / discharging the battery is 25 ° C., prepare for charging / discharging, and let it stand for 1 hour so that the cell temperature becomes the environmental temperature.
- the lithium manganate powder (sample) is 3.0V to 4.2V
- the 5V class spinel powder (sample) is 3.0 to 5.1V
- the first cycle is 0.05C constant current constant voltage. After charging and aging for about 50 to 100 hours, constant current discharge was performed at 0.05 C, and thereafter, constant current and constant voltage charge was performed at 0.1 C, and constant current discharge was performed at 0.1 C for two cycles.
- Output retention ratio before and after cycle Using the electrochemical cell subjected to the initial activation treatment, a charge / discharge test was conducted by the method described below, and the output retention rate was obtained. Place the cell in an environmental testing machine set to 25 ° C. with the initial activation treatment, charge the battery to 50% SOC from the discharge capacity obtained by the initial activation treatment, and then use an electrochemical measuring machine. 3.0C was discharged for 10 seconds, and the initial output was obtained. A cell cycled at a high temperature (45 ° C) was set in an environmental test so that the temperature would be 25 ° C, charged so that the SOC would be 50%, and then discharged at 3.0C for 10 seconds with an electrochemical measuring machine. I asked for the output. A value obtained by dividing the output after 100 cycles by the initial output was obtained as “output maintenance ratio (%)”.
- Example 2 A lithium manganate powder (sample) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the washing temperature was changed to 50 ° C. When a part of the powder of lithium manganate before drying was collected and measured, the primary oxygen release temperature was 721 ° C.
- Example 3 A lithium manganate powder (sample) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the drying temperature after magnetic separation was changed to 300 ° C. and the water vapor discharge rate was changed to 0.008 g / sec. When a part of the lithium manganate powder before being dried was collected and measured, the primary oxygen release temperature was 723 ° C.
- Example 4 Lithium manganate powder (sample) as in Example 1 except that the slurry concentration after washing with water was 50 mass%, the drying temperature after magnetic separation was changed to 400 ° C., and the water vapor discharge rate was changed to 150 g / sec. Got. When a part of the powder of lithium manganate before drying was collected and measured, the primary oxygen release temperature was 722 ° C.
- Example 5 Lithium carbonate, electrolytic manganese dioxide (TG reduction during heating at 200 ° C.-400 ° C .: 3.0%) and nickel hydroxide were weighed in the amounts shown in Table 1 so that the total amount was 10 kg, water 20 kg, dispersant 1 The mixture was charged into 2 kg with stirring. The slurry was circulated in a wet pulverizer (SC mill SC220 / 70A-VB-ZZ Mitsui Mining Co., Ltd.) and pulverized at a rotational speed of 1300 rpm for 45 minutes, so that the center particle size in the slurry was 0.6 ⁇ m or less.
- a wet pulverizer SC mill SC220 / 70A-VB-ZZ Mitsui Mining Co., Ltd.
- the obtained slurry was dried with a spray heat dryer (OC-16 Okawahara Chemical Co., Ltd.) at an atomizer of 24000 rpm and a flow rate of 50 mL / min at an inlet temperature of 190 ° C. to obtain a precursor having a center particle size of 15 ⁇ m.
- the raw material apparent density at this time was 1.1 g / cm 3 . It was fired in an electric furnace at 950 ° C. for 72 hours, and pulverized with a shearing type crusher to prepare a spinel type lithium manganate powder (5V class spinel powder).
- a spinel type lithium manganate powder for 20 hours and crushed with a shearing crusher to prepare a spinel type lithium manganate powder.
- 7000 g of this spinel type lithium manganate powder and 13.5 L of ion-exchanged water (pH 5.8) were mixed and stirred for 10 minutes to obtain a lithium manganate slurry (slurry concentration 34 mass%).
- the liquid temperature at this time was 10 ° C.
- This slurry was circulated at a speed of 1.0 m / sec in a wet magnetic separator (magnetic force of a magnet at a location where the slurry contacts: 17000 G), and then filtered under reduced pressure. Subsequently, the filtered lithium manganate is heated to 350 ° C.
- Lithium powder (sample) was obtained. When a part of the lithium manganate powder before being dried was collected and measured, the primary oxygen release temperature was 695 ° C.
- a wet pulverizer SC mill SC220 / 70A-VB-ZZ Mitsui Mining Co., Ltd.
- the obtained slurry was dried with a spray heat dryer (OC-16 Okawahara Chemical Co., Ltd.) at an atomizer of 24000 rpm and a flow rate of 50 mL / min at an inlet temperature of 190 ° C. to obtain a precursor having a center particle size of 15 ⁇ m.
- the raw material apparent density at this time was 1.1 g / cm 3 . It was fired in an electric furnace at 950 ° C. for 72 hours, and pulverized with a shear crusher to produce a spinel type lithium manganate powder (5V class spinel powder), which was used as a 5V class spinel powder (sample). .
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Abstract
Description
特にマンガン原料として電解二酸化マンガンを使用してスピネル型リチウム遷移金属酸化物を製造する場合には、電解二酸化マンガンが硫酸マンガン電解浴中で生成されるため、粒子表面にSO4などの硫化物が比較的多く存在することになる。そのため、この問題の解決は重要であった。
また、上述のような洗浄のみでは、小短絡(電圧降下)の要因と考えられる物質、例えば磁石に磁着する磁着物の濃度(PCT/JP2008/051702参照)を効果的に低減することが難しいことも分かってきた。
本実施形態に係るリチウム二次電池用正極活物質の製造方法(「本製造方法」と称する)は、マンガン化合物、リチウム塩などの原料を混合する原料混合工程と、混合した原料を焼成する焼成工程と、得られたスピネル型(Fd-3m)リチウム遷移金属酸化物の粉末を、水などの極性溶媒と接触させて洗浄する水洗工程と、酸素を含有する雰囲気下で300~700℃に加熱して乾燥する乾燥工程とを備えたリチウム二次電池用正極活物質の製造方法である。
本製造方法には、必要に応じてさらに磁選工程などの他の工程を追加することができる。
出発原料としては、少なくともリチウム原料及びマンガン原料を適宜選択すればよい。
二酸化マンガンとしては、化学合成二酸化マンガン(CMD)、電解によって得られる電解二酸化マンガン(EMD)、炭酸マンガン或いは天然二酸化マンガンを用いることができる。中でも、電解二酸化マンガンは、前述のように硫酸マンガン電解浴中で生成されるため、粒子内部にSO4などの硫化物が比較的多く存在することになるため、本発明の効果をより一層享受できる点で好ましい。
この際、マグネシウム原料としては、特に限定するものではなく、例えば酸化マグネシウム(MgO)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、硝酸マグネシウム(Mg(NO3)2)などを用いることができ、中でも酸化マグネシウムが好ましい。
アルミニウム原料としては、特に限定するものではない。例えば水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、フッ化アルミニウム(AlF3)などを用いることができ、中でも水酸化アルミニウムが好ましい。
この際、ホウ素化合物は、ホウ素(B元素)を含有する化合物であればよい。焼成前に添加したホウ素化合物は焼成によって形態が変化するものと考えられるが、その形態を正確に特定することは困難である。但し、当該ホウ素(B元素)は、水で溶出される状態で存在していることから、当該B元素はスピネル構成元素ではなく、何らかの形態のホウ素化合物としてスピネルの外に存在していることが確認されている。よって、スピネル中にホウ素(B元素)は存在せず、結晶粒子の表面と内部においてホウ素(B元素)の明確な濃度勾配が存在することもない。
ホウ素化合物は、上記の如くスピネル型リチウム遷移金属酸化物を焼成する際にホウ素化合物を添加して焼成することで、スピネル型リチウム遷移金属酸化物の焼結を促進する役割を果たす。そのため、ホウ素化合物と同様に、融点が焼成温度以下の物質、例えばバナジウム化合物(V2O5)、アンチモン化合物(Sb2O3)、リン化合物(P2O5)などの化合物も、ホウ素化合物と同様の効果を得ることができるものと考えられる。
他方、湿式混合としては、水や分散剤などの液媒体を加えて湿式混合してスラリー化させ、得られたスラリーを湿式粉砕機で粉砕する混合方法を例示することができる。特にサブミクロンオーダーまで粉砕するのが好ましい。サブミクロンオーダーまで粉砕した後、造粒及び焼成することにより、焼成反応前の各粒子の均一性を高めることができ、反応性を高めることができる。
上記の如く混合した原料は、必要に応じて所定の大きさに造粒した後、焼成してもよい。但し、造粒は必ずしもしなくてもよい。
造粒方法は、前工程で粉砕された各種原料が分離せずに造粒粒子内で分散していれば湿式でも乾式でもよく、押し出し造粒法、転動造粒法、流動造粒法、混合造粒法、噴霧乾燥造粒法、加圧成型造粒法、或いはロール等を用いたフレーク造粒法でもよい。但し、湿式造粒した場合には、焼成前に充分に乾燥させることが必要である。
この際の乾燥方法としては、噴霧熱乾燥法、熱風乾燥法、真空乾燥法、フリーズドライ法などの公知の乾燥方法によって乾燥させればよく、中でも噴霧熱乾燥法が好ましい。噴霧熱乾燥法は、熱噴霧乾燥機(スプレードライヤー)を用いて行なうのが好ましい。熱噴霧乾燥機(スプレードライヤー)を用いて造粒することにより、粒度分布をよりシャープにすることができるばかりか、丸く凝集してなる凝集粒子(2次粒子)を含むように2次粒子の形態を調製することができる。
焼成は、例えば大気雰囲気下で、700~1050℃、中でも710℃以上或いは920℃以下、その中でも720℃以上或いは950℃以下、その中でも特に750℃以上或いは940℃以下で焼成するのが好ましい。
なお、この焼成温度とは、焼成炉内の焼成物に熱電対を接触させて測定される焼成物の品温を意味する。
焼成後、必要に応じて、得られたスピネル型(Fd-3m)リチウム遷移金属酸化物を解砕若しくは粉砕するのが好ましい。
この際、解砕若しくは粉砕の程度は一次粒子を崩壊させないようにするのが好ましい。
本製造方法では、上記のようにして得られたスピネル型(Fd-3m)リチウム遷移金属酸化物の粉末(「本リチウム遷移金属酸化物粉末」とも称する)を、極性溶媒と接触させて、粉末中に含まれる不純物を離脱させるように水洗することが好ましい。
なお、本リチウム遷移金属酸化物粉末には、上述したように5V級スピネルの粉末も包含される。
なお、スラリーとは、極性溶媒中に本リチウム遷移金属酸化物粉末が分散した状態を意味する。
水としては、市水でもよいが、フィルターまたは湿式磁選機を通過させたイオン交換水や純水を用いるのが好ましい。
水のpHは5~9であるのが好ましい。
水洗時の液温が低ければ電池特性がより良好になる理由は、液温が高過ぎると、リチウム遷移金属酸化物中のリチウムがイオン交換水のプロトンとイオン交換してリチウムが抜けて高温特性に影響するためであると推定できる。
本製造方法では、必要に応じて、磁選すなわち磁石に磁着する不純物を本リチウム遷移金属酸化物粉末から除去する処理を行うのが好ましい。磁選を行うことによって短絡の原因となる不純物を除去することができる。
このような磁選は、本製造方法のいずれのタイミングで行ってもよい。例えば水洗工程後や、最後の解砕乃至粉砕後に行うのが好ましい。最後の解砕乃至粉砕後に行うことで、解砕機や粉砕機が破損して混入する鉄なども最終的に除去することができる。
磁選効率の観点からは、より分散した状態、言い換えれば凝集してない状態の本リチウム遷移金属酸化物粉末を磁石と接触させることができる点で、湿式磁選法の方が好ましい。
なお、水洗後に磁選を行う場合は、水洗工程と組み合わせることができる点で、湿式磁選法を選択するのが好ましい。逆に、最後の解砕乃至粉砕後に行う場合は、その後に乾燥させる必要がない点で、乾式磁選法を採用するのが好ましい。
乾燥工程では、酸素を含有する雰囲気下で300~700℃に加熱して乾燥させることが好ましい。この温度は、本リチウム遷移金属酸化物粉末の品温である。
得られたスピネル型リチウム遷移金属酸化物の粉末を水洗した場合、従来のような200℃程度の乾燥では、寿命特性をさらに高めることは困難であった。それに対し、スピネル型リチウム遷移金属酸化物の粉末を水洗した後に、300℃以上の雰囲気温度で乾燥を行うことにより、寿命特性をより一層高めることができることが分かった。
「第1次酸素放出温度」とは、スピネル型リチウム遷移金属酸化物を加熱した際に最初に酸素を放出する温度の意味であり、例えばスピネル型リチウム遷移金属酸化物を加熱して600℃~900℃の範囲で重量減少する開始温度(℃)として求めることができる。
第1次酸素放出温度よりも低温領域に加熱するのが好ましいのは、それ以上の温度に加熱すると酸素欠損が生じるからである。
また、湿度もできるだけ低い雰囲気で行うのが望ましいため、平均水蒸気排出速度は0.008g/sec~300g/sec、中でも0.5g/sec以上或いは200g/sec以下、その中でも1.0g/sec以上或いは150g/sec以下で処理を行うのが好ましい。
なお、水蒸気排出速度とは、単位時間当たりに、スピネル型リチウム遷移金属酸化物の粉末に含まれている水分を蒸発させることのできる量であり、後述する実施例では、スピネル型リチウム遷移金属酸化物の粉末に含まれている水分の15%量を蒸発させることができる時間を計測して算出している。
乾燥後、必要に応じて解砕乃至粉砕した後、分級するのが好ましい。
そして、上述したように、その後、磁選、特に乾式磁選法を行うのが好ましい。
本製造方法において、水洗後は700℃以上に加熱する熱処理を行わないことが好ましい。水洗後に700℃以上に加熱をしないことで、再焼結して電池特性に悪影響を及ぼす可能性をなくすことができるからである。
本製造方法で得られたリチウム遷移金属酸化物は、リチウム電池の正極活物質として有効に利用することができる(よって、「本正極活物質」と称する)。
例えば、本正極活物質と、カーボンブラック等からなる導電材と、テフロン(登録商標)バインダー等からなる結着剤とを混合して正極合剤を製造することができる。そしてそのような正極合剤を正極に用い、例えば負極にはリチウムまたはカーボン等のリチウムを吸蔵・脱蔵できる材料を用い、非水系電解質には六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩をエチレンカーボネート-ジメチルカーボネート等の混合溶媒に溶解したものを用いてリチウム2次電池を構成することができる。但し、このような構成の電池に限定する意味ではない。
本発明において、「リチウム電池」とは、リチウム一次電池、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー電池など、電池内にリチウム又はリチウムイオンを含有する電池を全て包含する意である。
また、「X~Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
さらにまた、「X以上」(Xは任意の数字)或いは「Y以下」(Yは任意の数字)と表現した場合、「Xより大きいことが好ましい」或いは「Y未満であるのが好ましい」旨の意図も包含する。
マンガン酸リチウム粉体を40mg秤量してAl2O3製深皿容器に入れ、空気を100ml/minの流量でフローさせた状態(酸素分圧0.021MPa、酸素濃度21%)で、昇温速度を5℃/minとして1100℃まで加熱測定し、得られたTG曲線から600℃~900℃の範囲で重量減少した開始温度を「第一次酸素放出温度」として求めた。
熱分析には、TG-DTA装置(株式会社マック・サイエンス製「TG-DTA2000S」)を用いた。
実施例及び比較例で得たマンガン酸リチウム粉体(サンプル)のホウ素(B)量、硫酸根(SO4)量、硫黄(S)量及びNa量を、通常のICP発光分光分析法で測定した。
実施例及び比較例で得たマンガン酸リチウム粉体(サンプル)の水分量(ppm)を、電量滴定方式自動水分装置(CA-100型、三菱化学株式会社製)を用いて測定した。
測定の範囲は常温から300℃とした。
実施例及び比較例で得たマンガン酸リチウム粉体(サンプル)を60℃×湿度80%の環境試験機に45分間静置し、取り出した粉体の水分量は電量滴定方式自動水分装置を用いて測定した。
保存後の水分量を、初期の水分量で割り算して求めた数値を水分量増加度(%)として求めた。
(電池の作製)
実施例及び比較例で得たマンガン酸リチウム粉体(サンプル)又は5V級スピネル粉体(サンプル)8.80gと、アセチレンブラック(電気化学工業製)0.60g及びNMP(N-メチルピロリドン)中にPVDF(キシダ化学製)12wt%溶解した液5.0gとを正確に計り取り、そこにNMPを5ml加え十分に混合し、ペーストを作製した。このペーストを集電体であるアルミ箔上にのせ、250μmのギャップに調整したアプリケーターで塗膜化し、120℃一昼夜真空乾燥した後、φ16mmで打ち抜き、4t/cm2でプレス厚密し、正極とした。電池作製直前に120℃で120min以上真空乾燥し、付着水分を除去し電池に組み込んだ。また、予めφ16mmのアルミ箔の重さの平均値を求めておき、正極の重さからアルミ箔の重さを差し引き正極合材の重さを求め、また正極活物質とアセチレンブラック、PVDFの混合割合から正極活物質の含有量を求めた。
負極はφ20mm×厚み1.0mmの金属リチウムとし、これらの材料を使用して図1に示す電気化学評価用セルTOMCEL(登録商標)を作製した。
電解液は、ECとDMCを3:7体積混合したものを溶媒とし、これに溶質としてLiPF6を1moL/L溶解させたものを用いた。
上記のようにして準備した電気化学用セルを用いて次に記述する方法で初期放電容量を求めた。すなわち、20℃にて4.3Vまで0.1Cで充電した状態で、正極中の正極活物質の含有量から、0.1C放電レートになるように電流値を算出した。定電流放電した時の3.0Vまでの放電容量(mAh/g)を測定した。
なお、5V級スピネル粉体(サンプル)に関しては、20℃にて5.2Vまで0.1Cで充電した状態で、正極中の正極活物質の含有量から、0.1C放電レートになるように電流値を算出した。定電流放電した時の3.0Vまでの放電容量(mAh/g)を測定した。
実施例及び比較例で得た正極活物質としてのマンガン酸リチウム粉体(サンプル)又は5V級スピネル粉体(サンプル)8.80gと、アセチレンブラック(電気化学工業製)0.60gと、NMP(N-メチルピロリドン)中にPVDF(キシダ化学製)12wt%溶解した液5.0gとを正確に計り取り、そこにNMPを5ml加え十分に混合し、ペーストを作製した。このペーストを集電体であるアルミ箔上にのせ、200μm~310μmのギャップに調整したアプリケーターで塗膜化し、120℃一昼夜真空乾燥した後、φ16mmで打ち抜き、4t/cm2でプレス厚密し、正極とした。電池作製直前に120℃で120min以上真空乾燥し、付着水分を除去し電池に組み込んだ。また、予めφ16mmのアルミ箔の重さの平均値を求めておき、正極の重さからアルミ箔の重さを差し引き正極合材の重さを求め、また正極活物質とアセチレンブラック、PVDFの混合割合から正極活物質の含有量を求めた。
負極はφ17.5mmの天然球状グラファイト(パイオニクス株式会社 電極容量1.6mAh/cm2)とし、負極容量/正極容量比を1.1~1.15に調整し、電解液は、ECとDMCを3:7体積混合+VC0.5%添加したものを溶媒とし、これに溶質としてLiPF6を1moL/L溶解させたものを用い、図1に示す電気化学評価用セルTOMCEL(登録商標)を作製した。
上記のようにして準備した電気化学用セルを用いて下記に記述する方法で充放電試験し、初期活性処理を行った。初期活性処理はリチウムイオン電池においては重要である。
電池充放電する環境温度を25℃となるように設定した環境試験機内にセルを入れ、充放電できるように準備し、セル温度が環境温度になるように1時間静置後、充放電範囲を、マンガン酸リチウム粉体(サンプル)については3.0V~4.2Vとし、5V級スピネル粉体(サンプル)については3.0~5.1Vとし、1サイクル目は0.05C 定電流定電圧充電を行い、50~100時間程度エージング行った後、0.05Cで定電流放電行った後、その後は、0.1Cで定電流定電圧充電 0.1Cで定電流放電を2サイクル行った。
上記のようにして準備した電気化学用セルを用いて下記に記述する方法で充放電試験し、高温サイクル寿命特性を評価した。
電池充放電する環境温度を45℃となるように設定した環境試験機内にセルを入れ、充放電できるように準備し、セル温度が環境温度になるように4時間静置後、充放電範囲を、マンガン酸リチウム粉体(サンプル)については3.0V~4.2Vとし、5V級スピネル粉体(サンプル)については3.0~5.1Vとし、充電は1.0C定電流定電位、放電は0.1C定電流で1サイクル充放電行った後、SOC0-100%の充放電深度で、1Cにて充放電サイクルを99回行い、100サイクル目は容量確認の為、放電レート0.1Cにて放電を行った。
100サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で割り算して求めた数値の百分率(%)を高温サイクル寿命特性値(0.1C)として求めた。
上記初期活性処理行った電気化学用セルを用い、下記に記述する方法で充放電試験行い、出力維持率を求めた。
初期活性処理した電池を25℃となるように設定した環境試験機内にセルを入れ、初期活性処理で得られて放電容量から、SOC50%となるように充電を行った後、電気化学測定機で3.0C 10秒放電行い、初期出力を求めた。高温(45℃)でサイクル行ったセルを25℃となるように環境試験にセットし、SOC50%となるように充電を行った後、電気化学測定機で3.0C 10秒放電行い、サイクル後の出力を求めた。
100サイクル後の出力を初期の出力で割り算して求めた数値を「出力維持率(%)」として求めた。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)、酸化マグネシウム、四ホウ酸リチウムおよび水酸化アルミニウムを、表1に示す組成となるように秤量し、精密混合機で混合後、混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で900℃で15時間焼成し、せん断式破砕機で解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末を作製した。
続いて、濾別したマンガン酸リチウムを大気中で350℃(品温)に加熱して5時間、水蒸気排出速度1.0g/secで乾燥させた後、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーのマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。
なお、乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は722℃であった。
水洗温度を50℃に変更した以外は、実施例1と同様にマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。
乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は721℃であった。
磁選後の乾燥温度を300℃に変更し、水蒸気排出速度を0.008g/secに変更した以外は、実施例1と同様にマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。
乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は723℃であった。
水洗後のスラリー濃度を50質量%とし、磁選後の乾燥温度を400℃に変更し、水蒸気排出速度を150g/secに変更した以外は、実施例1と同様にマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。
乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は722℃であった。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)及び水酸化ニッケルを、総量10kgとなるように表1に示す量を秤量し、水20kg、分散剤1.2kgの中へ攪拌しながら投入した。そのスラリーを湿式粉砕機(SCミル SC220/70A-VB-ZZ 三井鉱山株式会社)中を循環させて、回転数1300rpm45分粉砕し、スラリー中の中心粒径が0.6μm以下とした。得られたスラリーを、噴霧熱乾燥機(OC-16 大川原化工機株式会社)でアトマイザー24000rpm、流量50mL/min 入口温度190℃で乾燥行い、中心粒径15μmの前駆体を得た。
得られた前駆体を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で950℃72時間焼成し、せん断式破砕機で解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末(5V級スピネル粉体)を作製した。
続いて、濾別したマンガン酸リチウムを大気中で500℃(品温)に加熱して5時間、水蒸気排出速度1.0g/secで乾燥させた後、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーの5V級スピネル粉体(サンプル)を得た。
なお、乾燥する前の5V級スピネル粉体の粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は730℃であった。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)、酸化マグネシウム、四ホウ酸リチウムおよび水酸化アルミニウムを、表1に示す組成となるように秤量し、精密混合機で混合後、混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で850℃20時間焼成し、せん断式破砕機で解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末を作製した。
このスピネル型マンガン酸リチウムの粉末7000gとイオン交換水(pH5.8)13.5Lとを混合し、10分間攪拌してマンガン酸リチウムのスラリーとした(スラリー濃度34質量%)。この時の液温は25℃であった。このスラリーを湿式磁選器(スラリーが接触する箇所の磁石の磁力:17000G)内に1.0m/secの速度で流通させた後、減圧ろ過した。
続いて、濾別したマンガン酸リチウムを大気中で350℃(品温)に加熱して5時間、水蒸気排出速度50.0g/secで乾燥させた後、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーのマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。なお、乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は705℃であった。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)、酸化マグネシウム、四ホウ酸リチウムおよび水酸化アルミニウムを、表1に示す組成となるように秤量し、精密混合機で混合後、混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で850℃20時間焼成し、せん断式破砕機で解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末を作製した。
このスピネル型マンガン酸リチウムの粉末7000gとイオン交換水(pH5.8)13.5Lとを混合し、10分間攪拌してマンガン酸リチウムのスラリーとした(スラリー濃度34質量%)。この時の液温は5℃であった。このスラリーを湿式磁選器(スラリーが接触する箇所の磁石の磁力:17000G)内に1.0m/secの速度で流通させた後、減圧ろ過した。
続いて、濾別したマンガン酸リチウムを大気中で350℃(品温)に加熱して5時間、水蒸気排出速度1.0g/secで乾燥させた後、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーのマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。なお、乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は700℃であった。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)、酸化マグネシウム、四ホウ酸リチウムおよび水酸化アルミニウムを、表1に示す組成となるように秤量し、精密混合機で混合後、混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で800℃20時間焼成し、せん断式破砕機で解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末を作製した。
このスピネル型マンガン酸リチウムの粉末7000gとイオン交換水(pH5.8)13.5Lとを混合し、10分間攪拌してマンガン酸リチウムのスラリーとした(スラリー濃度34質量%)。この時の液温は25℃であった。このスラリーを湿式磁選器(スラリーが接触する箇所の磁石の磁力:17000G)内に1.0m/secの速度で流通させた後、減圧ろ過した。
続いて、濾別したマンガン酸リチウムを大気中で350℃(品温)に加熱して5時間、水蒸気排出速度1.0g/secで乾燥させた後、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーのマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。なお、乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は700℃であった。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)、酸化マグネシウム、四ホウ酸リチウムおよび水酸化アルミニウムを、表1に示す組成となるように秤量し、精密混合機で混合後、混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で750℃20時間焼成し、せん断式破砕機で解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末を作製した。
このスピネル型マンガン酸リチウムの粉末7000gとイオン交換水(pH5.8)13.5Lとを混合し、10分間攪拌してマンガン酸リチウムのスラリーとした(スラリー濃度34質量%)。この時の液温は10℃であった。このスラリーを湿式磁選器(スラリーが接触する箇所の磁石の磁力:17000G)内に1.0m/secの速度で流通させた後、減圧ろ過した。
続いて、濾別したマンガン酸リチウムを大気中で350℃(品温)に加熱して5時間、水蒸気排出速度120g/secで乾燥させた後、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーのマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。なお、乾燥する前のマンガン酸リチウムの粉末を一部採取して測定したところ、その第1次酸素放出温度は695℃であった。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)、酸化マグネシウム、四ホウ酸リチウムおよび水酸化アルミニウムを、表1に示すように秤量し、精密混合機で混合後、混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で900℃で15時間焼成し、せん断式破砕機により解砕し、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーのスピネル型マンガン酸リチウムの粉末を作製した。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)、酸化マグネシウム、四ホウ酸リチウムおよび水酸化アルミニウムを、比較例1と同量秤量し、精密混合機で混合後、混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で900℃で15時間焼成し、せん断式破砕機により解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末を作製した。
続いて、濾別したマンガン酸リチウムを真空中で200℃(品温)に加熱して一昼夜乾燥させた後、分級機によって分級行い、325メッシュアンダーのマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。
磁選後の乾燥条件を、大気中で200℃(品温)に加熱して5時間乾燥させ、水蒸気排出速度を1.0g/secに変更した以外は、実施例1と同様にマンガン酸リチウムの粉末(サンプル)を得た。
炭酸リチウム、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)及び水酸化ニッケルを、総量10kgとなるように表1に示す量を秤量し、水20kg、分散剤1.2kgの中へ攪拌しながら投入した。そのスラリーを湿式粉砕機(SCミル SC220/70A-VB-ZZ 三井鉱山株式会社)中を循環させて、回転数1300rpm45分粉砕し、スラリー中の中心粒径が0.6μm以下とした。得られたスラリーを、噴霧熱乾燥機(OC-16 大川原化工機株式会社)でアトマイザー24000rpm、流量50mL/min 入口温度190℃で乾燥行い、中心粒径15μmの前駆体を得た。
得られた前駆体を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。電気炉中で950℃72時間焼成し、せん断式破砕機で解砕してスピネル型マンガン酸リチウムの粉末(5V級スピネル粉体)を作製し、これを5V級スピネル粉体(サンプル)とした。
今回の試験結果から、焼成後のスピネル型(Fd-3m)リチウム遷移金属酸化物を極性溶媒で洗浄し、その後、酸素を含有する雰囲気下で300~700℃に加熱乾燥することによって、寿命特性や高温サイクル特性をより一層向上させることができることが確認できた。
また、表3に示すように、5V級スピネル粉体(サンプル)を作製した実施例5と比較例4とを比較すると、5V級スピネル粉体についても、極性溶媒で洗浄し、その後、酸素を含有する雰囲気下で300~700℃に加熱乾燥することによって、寿命特性や高温サイクル特性をより一層向上させることができることが確認できた。
Claims (4)
- スピネル型(Fd-3m)リチウム遷移金属酸化物の粉末を極性溶媒と接触させて洗浄する洗浄工程、その後、酸素を含有する雰囲気下で300~700℃に加熱して乾燥する乾燥工程を備えたリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
- スピネル型(Fd-3m)リチウム遷移金属酸化物の粉末を極性溶媒と接触させてスラリーとする洗浄工程、洗浄工程で得たスラリーを湿式磁選器に投入し、磁石に付着した磁着物を捕集して除去する磁選工程、その後、酸素を含有する雰囲気下で300~700℃に加熱して乾燥させる乾燥工程を備えたリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
- 乾燥工程では、第1次酸素放出温度よりも低温領域に制御して加熱することを特徴とする請求項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方法。
- 磁選工程では、8000G~17000Gの磁石を備えた湿式磁選器を使用することを特徴とする請求項1~3の何れかに記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
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