JP4359667B2 - Method for producing lithium manganate powder, produced lithium manganate powder, electrode and lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、各種工業材料として利用できる粉体の製造方法に関し、更に詳細にはリチウム系二次電池の正極材料であるマンガン酸リチウム粉体を製造する方法において、マンガン酸リチウム粉体の粒径を極力均一化し、粉体の材質を均質化できるマンガン酸リチウム粉体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a powder that can be used as various industrial materials, and more specifically, in a method for producing a lithium manganate powder that is a positive electrode material of a lithium-based secondary battery. The present invention relates to a method for producing a lithium manganate powder capable of homogenizing as much as possible and homogenizing the material of the powder.
工業用粉体は無機質系粉体と有機質系粉体に大別され、無機質系粉体にはセラミックス粉体、金属粉体、金属酸化物粉体等があり、有機質系粉体には植物系粉体、動物系粉体がある。無機質系粉体は、一般的に、原料粉体を高温で焼成して形成される。例えば、アルミナ粉体は1400℃の高温で1時間焼成され、スピネル粉体は1550℃の高温で1時間の焼成が必要である。また、ソーダアルミナ粉体においては1600℃の高温で2時間の焼成が必要である。この様に、粉体の形成には焼成温度の一定保持と焼成時間の一定維持が重要である。 Industrial powders are broadly classified into inorganic powders and organic powders. Inorganic powders include ceramic powders, metal powders, metal oxide powders, etc., and organic powders are plant-based powders. There are powder and animal powder. The inorganic powder is generally formed by firing a raw material powder at a high temperature. For example, alumina powder is fired at a high temperature of 1400 ° C. for 1 hour, and spinel powder needs to be fired at a high temperature of 1550 ° C. for 1 hour. Further, soda alumina powder needs to be fired at a high temperature of 1600 ° C. for 2 hours. As described above, it is important to keep the firing temperature constant and keep the firing time constant for the formation of the powder.
近年、電子機器等は小型・軽量化が特に求められている。中でも、携帯電話・ノート型パソコン・カメラ一体型ビデオ等の機器電源としてリチウム系二次電池の需要が急拡大している。リチウム系二次電池は正極、電解質及び負極から構成され、正極から負極にLi+を移動させて充電し、逆に負極から正極にLi+を移動させて放電する機構を採用している。従って、負極と正極は共にLi+を吸蔵・放出できる材料から形成される必要がある。 In recent years, electronic devices and the like are particularly required to be small and light. In particular, the demand for lithium secondary batteries as equipment power sources for mobile phones, notebook computers, and camera-integrated video is rapidly expanding. A lithium secondary battery is composed of a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode, and employs a mechanism in which Li + is transferred from the positive electrode to the negative electrode for charging, and conversely, Li + is transferred from the negative electrode to the positive electrode for discharging. Therefore, both the negative electrode and the positive electrode need to be formed of a material that can occlude and release Li + .
従来のリチウム系二次電池においては、正極材料としてリチウム複合酸化物が使用されている。例えば、LiCoO2,LiNiO2やLiMn2O4などである。中でもLiCoO2が最も広く使用されている。 In a conventional lithium secondary battery, a lithium composite oxide is used as a positive electrode material. For example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and the like. Among them, LiCoO 2 is most widely used.
これらの正極材料はリチウム複合酸化物の粉体から構成されているが、粉体を構成する粒子の構造は共通している。即ち、その粒子は結晶体からなり、層状結晶又は多孔状結晶から構成されている場合が多い。これらの結晶体の内部空間にLi+を吸蔵し、またその内部空間からLi+を放出する機構になっている。 These positive electrode materials are composed of lithium composite oxide powder, but the structure of the particles constituting the powder is common. That is, the particles are made of crystal and are often composed of layered crystals or porous crystals. It is a mechanism that occludes Li + in the internal space of these crystal bodies and releases Li + from the internal space.
従って、リチウム系二次電池の正負極材料を構成する粉体の製造に際しては、その化学組成、微細構造の制御が特に重要である。その製造方法には、固相反応法、液相反応法、噴霧熱分解法などがある。特に、本発明が関係する噴霧熱分解法には、内燃方式と外燃方式がある。 Therefore, when manufacturing the powder constituting the positive and negative electrode materials of the lithium secondary battery, it is particularly important to control the chemical composition and the microstructure. The production method includes a solid phase reaction method, a liquid phase reaction method, a spray pyrolysis method and the like. In particular, the spray pyrolysis method related to the present invention includes an internal combustion system and an external combustion system.
噴霧熱分解法における内燃方式の公知技術として、USP3,230,064が知られている。この技術は火炎旋回流を最初に導入した先行技術である。 USP 3,230,064 is known as a known technique of the internal combustion system in the spray pyrolysis method. This technique is the prior art that first introduced flame swirl.
また、噴霧熱分解法における外燃方式の公知技術として、特開平5-75685号公報が知られている。この公知技術は筒状反応部の上部から供給原料を自由落下方向に流落させる方式を採用している。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-75685 is known as a known technique of the external combustion method in the spray pyrolysis method. This known technique employs a system in which the feedstock is allowed to flow in the free fall direction from the upper part of the cylindrical reaction section.
非特許技術文献として、「粉体および粉末冶金」第45巻第7号(1998年)に掲載された「鉄・マンガン溶液の共焙焼法によるフェライト材料製造プロセスの開発、事業化」がある。この論文も、噴霧熱分解法における内燃方式の公知技術である。具体的には、供給原料を筒状反応部の上部から自由落下方向に流落させ、反応炉内部で原料ミストを燃焼バーナーで直接加熱する方式を採用している。
図20は、特許文献1(USP3,230,064)に示される内燃方式による筒状反応部の断面図である。粉体原料は原料供給部から圧縮空気により配管101を通して供給され、粉体原料噴出部102から上方へ逆円錐形に噴霧される。このため、粉体原料には噴霧時に上昇方向への初速が付与され、この初速度はかなりの高速に達する。また、筒状反応部の途中部には左右にトーチバーナー103、103が配置されており、その先端には噴霧用ノズル104、104が設けられている。このノズル104、104から中心方向に火炎が噴射されるが、その火炎面は一面だけである。従って、高速で上昇する前記粉体原料はこの火炎面を瞬時に通過するから、粉体原料が焼成される時間は極めて短く、充分な焼成時間の確保が困難であった。また、直接上方へ粉体原料が噴霧されるので、粒径にバラツキのある全ての原料粒子が火炎面を通過して焼成される。従って、生成される粉体粒子の粒径は当然に広範囲に分布する欠点があった。
FIG. 20 is a cross-sectional view of a cylindrical reaction portion by an internal combustion system disclosed in Patent Document 1 (USP 3,230,064). The powder raw material is supplied from the raw material supply unit through the
図21は、図20のA−A線断面図である。6個のバーナー103が周方向に等間隔に配置され、放射火炎は中心から偏心した位置に噴射されるように構成されている。従って、火炎は渦を巻き、火炎旋回流が形成される。前述した粉体原料は火炎旋回流に乗って焼成されるから、旋回時間だけ反応時間を稼ぐことは可能である。しかしながら、前記火炎面は一面だけであるから、反応に必要な高温領域は極めて薄く、未反応粉体が続出する弱点があった。火炎旋回流は最初小さな円を描きながら旋回し、浮力によって上昇するが、上昇するに応じて急激に焼成温度が低下する。従って、火炎旋回流の下方部と上方部との間に大きな温度差が発生し、均一温度の焼成空間を形成することが困難であった。
21 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Six
図22は、特許文献2(特公平5−75685号)に示される外燃方式による反応炉の縦断面図である。この反応炉は、粉体原料を自由落下方式で供給する粉体原料供給部106と、筒状反応部105を上下に多段に外部加熱する加熱器107と、生成される粉体を冷却する冷却部108と、生成粉体を排出する粉体送出器109から構成されている。
FIG. 22 is a vertical cross-sectional view of a reactor using an external combustion method disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Publication No. 5-75685). This reactor includes a powder raw
この従来技術の特徴は、筒状反応部105を外部から加熱するので、反応部内部の温度分布は反応管径の比較的小さい場合は比較的均一になり易い。しかしながら、外部加熱方式は該反応管径の大きい場合、水平面に温度偏差が生じ易く、均一な熱分解反応を得にくいと言う欠点を有すると共に、熱エネルギーの多くが外部に散逸するから、それだけ熱効率が低下する欠点があり、近年の省エネルギーの観点からは特に問題がある。また、この技術は、原料粉末を下方に自由落下させながら供給するから、生成される目的粉末の全てが一体的に回収される。原料粉末が大きなサイズ不均一性を有する場合、生成粉末も同様のサイズ不均一性を有し、これらが混在一体に回収される欠点がある。つまり、生成粉体のサイズ均一性が得られない。更に、供給原料に不純物が含有されている場合、その不純物の混入を防止できず、しかも反応炉内に不純物が存在する場合にも、不純物が生成粉体中に落下混入する弱点もある。
The feature of this prior art is that the
非特許文献として、「鉄・マンガン溶液の共焙焼法によるフェライト材料製造プロセスの開発、事業化」が存在するが、この従来技術も火炎噴霧熱分解法における内燃方式であり、特許文献2と同様の欠点を有する。 As non-patent literature, there is “development and commercialization of ferrite material manufacturing process by co-roasting method of iron / manganese solution”, but this prior art is also an internal combustion system in the flame spray pyrolysis method. Has similar disadvantages.
この様に、従来の製造方法は種々の欠点を有している。従って、リチウム系二次電池のマンガン酸リチウム粉体を製造する場合に、上記従来の製造方法を適用しても、同様の欠点が招来されることは明らかである。従って、本発明の目的は、熱反応時間を長短自在に調整でき、粒径サイズが均一で粒子の均質性が確保され、しかも不純物の混入を防止できるマンガン酸リチウム粉体の製造方法を提供することである。 Thus, the conventional manufacturing method has various drawbacks. Therefore, it is clear that the same disadvantages are caused even when the above-described conventional manufacturing method is applied when manufacturing lithium manganate powder for a lithium secondary battery. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a lithium manganate powder, in which the thermal reaction time can be adjusted freely, the particle size is uniform, the homogeneity of the particles is ensured, and contamination of impurities can be prevented. That is.
本発明は上記課題を解決するために為されたものであり、本発明の第1の形態は、リチウム系二次電池の電極材料であるマンガン酸リチウム粉体を製造する方法において、マンガン酸リチウム粉体を生成する筒状反応部内に、軸方向に離間する複数の軸直角断面内の夫々に火炎旋回流を形成し、前記筒状反応部の下方から上昇方向にマンガン酸リチウム粉体の原料を少なくとも含有する原料ミストを供給し、この原料ミストを前記複数の火炎旋回流の中に導入して原料ミストを旋回させ、この旋回中に火炎により原料ミストを熱分解してマンガン酸リチウム粉体を形成するマンガン酸リチウム粉体の製造方法である。 The present invention has been made to solve the above problems, and a first aspect of the present invention is a method for producing a lithium manganate powder which is an electrode material of a lithium-based secondary battery. A raw material of lithium manganate powder that forms a flame swirl flow in a plurality of axially spaced cross-sections that are axially separated in a cylindrical reaction section that generates powder, and that rises from below the cylindrical reaction section in the upward direction The raw material mist containing at least the raw material mist is supplied, the raw material mist is introduced into the plurality of flame swirl flows, and the raw material mist is swirled. It is a manufacturing method of the lithium manganate powder which forms.
本発明の第2の形態は、前記原料ミストがマンガン酸リチウム粉体の原料に添加物を配合したマンガン酸リチウム粉体の製造方法である。 The 2nd form of this invention is a manufacturing method of the lithium manganate powder which the said raw material mist mix | blended the additive with the raw material of the lithium manganate powder.
本発明の第3の形態は、火炎旋回流を筒状反応部の内面に沿うように旋回させるマンガン酸リチウム粉体の製造方法である。 The 3rd form of this invention is a manufacturing method of the lithium manganate powder | flour which makes a flame swirl flow swirl along the inner surface of a cylindrical reaction part.
本発明の第4の形態は、筒状反応部の下方に原料ミストを貯留する原料ミスト貯留部を設け、この原料ミスト貯留部の上方に原料ミストを通過させるフィルターを配置したマンガン酸リチウム粉体の製造方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, a lithium manganate powder is provided with a raw material mist storage part for storing the raw material mist below the cylindrical reaction part, and a filter for passing the raw material mist above the raw material mist storage part. It is a manufacturing method.
本発明の第5の形態は、原料溶液を原料ミスト貯留部に対し水平方向に噴霧して原料ミスト化し、原料ミストを原料ミスト貯留部内に滞留させるマンガン酸リチウム粉体の製造方法である。 The fifth aspect of the present invention is a method for producing lithium manganate powder in which a raw material solution is sprayed in the horizontal direction with respect to the raw material mist storage part to form a raw material mist and the raw material mist is retained in the raw material mist storage part.
本発明の第6の形態は、筒状反応部の外部に設けられた吸引手段により原料ミスト貯留部から原料ミストを吸引上昇させ、火炎旋回流の中で原料ミストから生成される粉体を筒状反応部の外部に導出し、粉体を排気ガスから分離して回収するマンガン酸リチウム粉体の製造方法である。 In the sixth aspect of the present invention, the raw material mist is sucked and raised from the raw material mist reservoir by suction means provided outside the cylindrical reaction part, and the powder produced from the raw material mist in the flame swirl flow is This is a method for producing a lithium manganate powder that is led out of the reaction chamber and separated and recovered from the exhaust gas.
本発明の第7の形態は、第1形態〜第6形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体を再焼成するマンガン酸リチウム粉体の製造方法である。 The 7th form of this invention is a manufacturing method of the lithium manganate powder which rebakes the lithium manganate powder manufactured by the manufacturing method in any one of the 1st form-the 6th form.
本発明の第8の形態は、第1形態〜第7形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体である。 The 8th form of this invention is the lithium manganate powder manufactured by the manufacturing method in any one of 1st form-7th form.
本発明の第9の形態は、第1形態〜第7形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体から電極を形成するリチウム系二次電池用の電極である。 A ninth aspect of the present invention is an electrode for a lithium secondary battery in which an electrode is formed from lithium manganate powder produced by the production method of any one of the first to seventh aspects.
本発明の第10の形態は、第1形態〜第7形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体から形成された電極を正極として配置したリチウム系二次電池である。 A tenth aspect of the present invention is a lithium secondary battery in which an electrode formed from a lithium manganate powder produced by the production method of any one of the first to seventh aspects is disposed as a positive electrode.
本発明の第1の形態によれば、粉体を生成する筒状反応部内において、軸方向に離間する複数の軸直角断面内の夫々に火炎旋回流を形成するので、下部火炎旋回流と上部火炎旋回流との範囲において焼成温度を一定に保持できる。火炎旋回流を更に多段に配置すれば、一定温度に保持された大きな焼成空間を設定でき、段数の調整によって前記焼成空間のサイズを自在に調整できる利点がある。即ち、原料ミストを一定温度で所望時間焼成できるから、マンガン酸リチウムの均質な粉体を生成できる。また、多段の火炎旋回流を連続的に構成するから、原料ミストの旋回量を自在に調整でき、原料ミストの焼成時間を制御できる。 According to the first aspect of the present invention, a flame swirl flow is formed in each of a plurality of cross-sections orthogonal to each other in the axial direction in the cylindrical reaction section that generates the powder. The firing temperature can be kept constant in the range of the flame swirl flow. If the flame swirl flow is further arranged in multiple stages, there is an advantage that a large firing space maintained at a constant temperature can be set, and the size of the firing space can be freely adjusted by adjusting the number of stages. That is, since the raw material mist can be fired at a constant temperature for a desired time, a homogeneous powder of lithium manganate can be produced. Moreover, since the multistage flame swirl | flow is comprised continuously, the turning amount of raw material mist can be adjusted freely and the baking time of raw material mist can be controlled.
本発明の第2の形態によれば、マンガン酸リチウム粉体の原料に各種の添加物を配合して、リチウム系二次電池の電極性能を改善できる。添加物としては任意の金属元素及び/又は非金属元素を選択でき、例えばCo、Ni、Al、Mg等がある。これらの添加物を添加されたマンガン酸リチウム粉体の原料が焼成されると、形成された粉体の結晶は多数の空孔を保有する。従って、リチウム系二次電池の電極材料、特に正極材料として本発明の粉体を使用すると、その電極の結晶体空孔にLi+が多数吸蔵され放出されることになる。この結果、リチウム系二次電池の電極性能を飛躍的に向上させ、所期の目的を達成できる。 According to the 2nd form of this invention, the electrode performance of a lithium secondary battery can be improved by mix | blending various additives with the raw material of lithium manganate powder. As the additive, any metal element and / or non-metal element can be selected, and examples thereof include Co, Ni, Al, and Mg. When the raw material of the lithium manganate powder to which these additives are added is fired, the formed powder crystals have a large number of pores. Therefore, when the powder of the present invention is used as an electrode material of a lithium secondary battery, particularly a positive electrode material, a large amount of Li + is occluded and released in the crystal vacancies of the electrode. As a result, the electrode performance of the lithium secondary battery can be dramatically improved and the intended purpose can be achieved.
本発明の第3の形態によれば、筒状反応部の内面に沿うように火炎旋回流を大きく形成するから、筒状反応部の内部全体に、旋回半径の大きい火炎旋回流を形成することができる。原料ミストはこの大きな火炎旋回流に乗って旋回するから、この火炎旋回流に滞在する時間が長くなり、熱分解反応が十分に生起し、良質な粉体を製造することができる。しかも、この大きな火炎旋回流が多段に形成されるから、火炎旋回流の下部と上部との垂直温度差が無くなり、一定温度の大きな焼成空間を形成することができる。従って、十分な焼成を受けて均質な粉体を形成することができる。更に、火炎旋回流の火力及び旋回時間を制御することにより、焼成温度及び焼成時間を自在に調整できる。 According to the third aspect of the present invention, the flame swirl flow is formed so as to extend along the inner surface of the cylindrical reaction part, so that the flame swirl flow having a large swirl radius is formed in the entire inside of the cylindrical reaction part. Can do. Since the raw material mist swirls on this large flame swirl, the time for staying in this flame swirl becomes longer, the thermal decomposition reaction occurs sufficiently, and high quality powder can be produced. Moreover, since this large flame swirl is formed in multiple stages, there is no vertical temperature difference between the lower part and the upper part of the flame swirl, and a large firing space with a constant temperature can be formed. Accordingly, it is possible to form a homogeneous powder by being sufficiently fired. Furthermore, the firing temperature and firing time can be freely adjusted by controlling the heating power and swirl time of the flame swirl flow.
本発明の第4の形態によれば、筒状反応部の下方に原料ミストを貯留する原料ミスト貯留部を設けるから、原料ミスト貯留部に噴霧された原料ミストは、当初撹乱状態であるが、時間経過に従って均一な浮遊状態になる。その結果、原料ミスト中に存在する通常範囲より粒径の大きなミストや質量の大きなミストは下方に落下したり壁面に付着する。つまり、空間に浮遊する原料ミストの粒径や質量が一定になり、選別された均一な原料ミストを上方の筒状反応部に供給することができる。また、原料ミスト貯留部の上方に原料ミストを通過させるフィルターを配置するから、このフィルターの設置により原料ミスト貯留部を筒状反応部と分別できる。このフィルターにより原料ミストを一層選別することが可能になり、また筒状反応部から一部落下してくる粉体をこのフィルターで受けることが可能になる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the raw material mist storage part for storing the raw material mist is provided below the cylindrical reaction part, the raw material mist sprayed on the raw material mist storage part is initially in a disturbed state. Uniform floating state over time. As a result, a mist having a larger particle diameter or a larger mass than the normal range existing in the raw material mist falls downward or adheres to the wall surface. That is, the particle size and mass of the raw material mist floating in the space become constant, and the selected uniform raw material mist can be supplied to the upper cylindrical reaction section. Moreover, since the filter which passes raw material mist above the raw material mist storage part is arrange | positioned, the raw material mist storage part can be separated from a cylindrical reaction part by installation of this filter. This filter makes it possible to further sort the raw material mist, and it is possible to receive the powder partially falling from the cylindrical reaction part.
本発明の第5の形態によれば、原料溶液を原料ミスト貯留部に対し水平方向に噴霧して原料ミスト化するから、原料ミストは垂直方向の初速度を付与されない。その結果、原料ミストが前記火炎旋回流を突き抜ける速度成分が小さくなり、火炎旋回流の中に滞在する時間が長くなり、均質且つ均一な粉体の製造に貢献できる。前記原料溶液を対向状態で噴霧すれば、原料ミストの水平方向の速度成分も打ち消され、浮遊する原料ミストは浮力だけで浮遊滞在し、質量及び粒径による原料ミストの選別をより一層強化できる。 According to the fifth aspect of the present invention, since the raw material solution is sprayed in the horizontal direction with respect to the raw material mist reservoir to form the raw material mist, the raw material mist is not given the initial velocity in the vertical direction. As a result, the velocity component through which the raw material mist penetrates the flame swirl becomes small, the time for staying in the flame swirl becomes long, and it can contribute to the production of homogeneous and uniform powder. If the raw material solution is sprayed in an opposing state, the horizontal velocity component of the raw material mist is canceled out, the floating raw material mist stays floating only by buoyancy, and the selection of the raw material mist by mass and particle size can be further enhanced.
本発明の第6の形態によれば、筒状反応部の外部に設けられた吸引手段により原料ミスト貯留部から原料ミストを吸引上昇させるから、吸引力を調整することによって、原料ミストの上昇速度を制御でき、粉体を形成するための焼成時間を制御することができる。また、形成された粉体を筒状反応部の上部から吸引するから、形成された粉体の落下による滞留ミストの撹乱を防ぐことができる。また、筒状反応部の外部で粉体を回収できるから、粉体の製造と回収を同時並行して粉体の製造効率を向上できる。また、回収用フィルタのメッシュ度を可変することにより回収粉体の粒径選別が可能になる。メッシュ度の異なるフィルタを多段に配置すれば、選別効率を向上できる。 According to the sixth aspect of the present invention, since the raw material mist is sucked and raised from the raw material mist reservoir by the suction means provided outside the cylindrical reaction part, the rising speed of the raw material mist is adjusted by adjusting the suction force. And the firing time for forming the powder can be controlled. Further, since the formed powder is sucked from the upper part of the cylindrical reaction part, disturbance of the staying mist due to the fall of the formed powder can be prevented. In addition, since the powder can be collected outside the cylindrical reaction section, the production efficiency of the powder can be improved simultaneously with the production and collection of the powder. Moreover, the particle size of the recovered powder can be selected by changing the mesh degree of the recovery filter. If the filters having different mesh degrees are arranged in multiple stages, the sorting efficiency can be improved.
本発明の第7の形態によれば、第1形態〜第6形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体を再焼成するから、生成粉体の中に存在する未焼成粉体を完全焼成でき、また未分解粉体の熱分解を促進できる。更に、この再焼成により、生成粉体の結晶性を向上できる。また、再焼成により比表面積の制御ができる。この様に、再焼成された粉体を用いて粉体塗料を形成すると、電極用基体への塗着性能(塗工性)が改善できる。その結果、マンガン酸リチウム粉体の全体性能の向上を図ることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, since the lithium manganate powder produced by the production method of any one of the first to sixth aspects is refired, the unfired powder present in the product powder The body can be completely fired and the thermal decomposition of the undecomposed powder can be promoted. Furthermore, the crystallinity of the resulting powder can be improved by this refiring. Further, the specific surface area can be controlled by refiring. In this manner, when a powder coating is formed using the refired powder, the coating performance (coating property) to the electrode substrate can be improved. As a result, the overall performance of the lithium manganate powder can be improved.
本発明の第8の形態によれば、第1形態〜第7形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体を提供でき、前述した高性能粉体を市場に供給できる。 According to the 8th form of this invention, the lithium manganate powder manufactured by the manufacturing method in any one of the 1st form-the 7th form can be provided, and the high performance powder mentioned above can be supplied to the market.
本発明の第9の形態によれば、第1形態〜第7形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体から形成されたリチウム系二次電池用の電極が提供できる。この多孔性電極の孔の数やサイズを本発明により自在に調節できるから、Li+の放出・吸蔵特性を改善でき、高性能のリチウム系二次電池用の電極が提供できる。 According to the 9th form of this invention, the electrode for lithium secondary batteries formed from the lithium manganate powder manufactured by the manufacturing method in any one of 1st form-7th form can be provided. Since the number and size of the pores of this porous electrode can be freely adjusted according to the present invention, the Li + release and storage characteristics can be improved, and an electrode for a high-performance lithium secondary battery can be provided.
本発明の第10の形態によれば、第1形態〜第7形態のいずれかの製造方法により製造されたマンガン酸リチウム粉体から形成された電極を正極として配置したリチウム系二次電池を提供できる。特に、本発明に係るマンガン酸リチウム電極は正極特性に優れており、この電極を内蔵したリチウム系二次電池は充放電特性に優れた効果を有する。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery in which an electrode formed from a lithium manganate powder produced by the production method of any one of the first to seventh aspects is disposed as a positive electrode. it can. In particular, the lithium manganate electrode according to the present invention has excellent positive electrode characteristics, and a lithium secondary battery incorporating this electrode has an excellent charge / discharge characteristic.
以下に、本発明に係るマンガン酸リチウム粉体の製法、製造されたマンガン酸リチウム粉体、電極及びリチウム系二次電池の実施形態を図面に従って詳細に説明する。 Embodiments of a method for producing lithium manganate powder, a produced lithium manganate powder, an electrode, and a lithium secondary battery according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係るマンガン酸リチウム粉体の製造方法の第1実施形態を実現する粉体製造装置1の概略構成図である。粉体製造装置1は、筒状反応部11と粉体分離部12と吸引機13とを備え、各部材はダクト14及び15を介して連通している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
筒状反応部11は中空体で、原料ミスト供給部21と原料ミスト貯留部22と反応部23に大別される。原料ミスト供給部21は、筒状反応部11の下部側方に設けられ、原料ミスト貯留部22に向けて原料ミストMを噴射するように配置されている。原料ミスト貯留部22の上方に反応部23が連設されている。
The cylindrical reaction part 11 is a hollow body, and is roughly divided into a raw material
粉体分離部12は、内部に粉体を回収する回収部材24を内蔵し、排気ガスは回収部材24を通過するように構成され、粉体と排気ガスの分離が行なわれる。この回収部材24はバグフィルターなどのフィルター材料から構成される。
The powder separation unit 12 has a built-in
吸引機13は、筒状反応部11、ダクト14、粉体分離部12及びダクト15の内部を吸引し、回収部材24を通過した排気ガスを外部に排出するように設けられている。従って、筒状反応部11内には、この吸引機13の作用により、原料ミスト供給部21から原料ミスト貯留部22、反応部23を経て、ダクト14に向かう流体の流れが形成される。
The
筒状反応部11の作用について更に詳説する。原料ミスト供給部21は、原料ミスト貯留部22の側方に配置され、原料ミスト貯留部22に向かって広がったラッパ形状を有する導入管31と、この導入管31の小径側端部に取り付けられた2流体ノズル32から構成される。粉体原料を含んだ原料溶液Sを高圧搬送ガスGにより2流体ノズル32から矢印方向(水平方向)に噴霧すると、原料溶液Sが無数の原料ミストMとなって噴き出され、原料ミストMは原料ミスト貯留部22に浮遊状に滞留する。前記高圧搬送ガスGは空気、窒素ガス(N2)、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが好適である。
The operation of the tubular reaction unit 11 will be further described in detail. The raw material
原料ミストMは水平方向に噴出されるから、原料ミストMの鉛直速度成分はほぼゼロであり、水平速度成分だけを有すると考えられる。導入管31はラッパ形状であるから、原料ミスト噴流はラッパ状に広がり、鉛直速度成分は多少残るが、噴流全体としてはゼロと考えてもよい。図1では、前記噴流は左右から対向して噴出され、噴流同士が衝突して水平速度成分も全体としてゼロになるように設定されている。従って、原料ミスト貯留部22では、原料ミストMは浮力によって自由浮遊状態にある。原料ミスト貯留部22は、原料ミストを拡散させる容積を有し、上記原料ミストMを浮遊状態のまま一時的に貯留する機能を奏する。
Since the raw material mist M is ejected in the horizontal direction, it is considered that the vertical velocity component of the raw material mist M is almost zero and has only the horizontal velocity component. Since the
この原料ミスト貯留部22の内部では、原料ミストMは浮遊状態になって、壁面との衝突を繰り返す。一般に、原料ミストは乾燥粉体よりも粒径の均一性が高いが、多少の粒径分布を有している。粒径の大きな原料ミストは、前記衝突によって壁面に付着し易いから、浮遊状態で残留する原料ミストの粒径均一性は一層高められる。原料ミスト貯留部22から上昇する原料ミスト群の粒径と質量の均一性は極めて高い。
Inside the raw
原料ミスト貯留部22と反応部23の間には、フィルター43が介装されている。このフィルター43は、図1では大きな開口部43aを有しているが、メッシュ状、パンチングメタル状など、様々の形状を有することができる。このフィルター43は、原料ミスト貯留部22に吹き込まれた原料ミストが反応部23に吹き出るのを防止し、原料ミスト貯留部22内における原料ミストの均一化を促進する作用を奏する。大きな開口部43aを有しているフィルターでは、この均一促進作用は比較的小さいが、原料ミストの物性により、開口部やメッシュ等の使い分けが為される。また、このフィルター43により、反応部23から落下してくる粉体を遮断して、原料ミスト貯留部22内の汚損を防止できる。
A
原料ミストMは吸引機13の吸引力により、原料ミスト貯留部22からフィルター43を通過して、矢印a方向へ上昇する。原料ミストMは、鉛直方向の初速度を持たないから、吸引機13の吸引力だけで上昇速度Vを付与される。従って、原料ミストMの上昇速度Vは前記吸引力によって自在に調整できる。原料ミストMの水平速度成分は極めてゼロに近いから、反応部23の内壁面に衝突する確率は小さく、内壁面への付着は防止される。従って、原料ミストの製造効率が向上するだけでなく、内壁面からの粉体落下も少なく、筒状反応部11の内部の汚損を防止できる。
The raw material mist M passes through the
反応部23の上方には、一定距離Wだけ離間して、所要数のバーナー41が2段に配列されている。1段目のバーナー41は断面円周方向に等間隔に配列されており、2段目も同様に配列されている。各バーナー41から放射される火炎は、反応部内部で火炎旋回流Fを形成し、上下2段のバーナー41、41により上下方向に多数の火炎旋回流が連続的に形成される。この結果、上下距離Lの範囲内に亘って、一定温度に設定された高温度の焼成空間44が形成される。上昇する原料ミストMは、前記火炎旋回流に乗って旋回上昇し、この過程で熱分解されて粉体に変化する。焼成空間44のサイズは、バーナー41の段数と間隔Wによって決定される。
Above the
原料ミストMの上昇速度をVとすると、焼成空間中の滞在時間はL/Vで与えられる。この滞在時間が原料ミストMの熱分解時間となり、この時間は距離L又は/及び上昇速度Vにより決定される。従って、熱分解時間は距離Lと上昇速度Vにより自在に調節できる利点を有する。 If the rising speed of the raw material mist M is V, the residence time in the firing space is given by L / V. This staying time becomes the thermal decomposition time of the raw material mist M, and this time is determined by the distance L or / and the rising speed V. Therefore, the thermal decomposition time has an advantage that it can be freely adjusted by the distance L and the rising speed V.
図2は反応部23のバーナー位置での簡略断面図である。この反応部23は軸直角断面が円形の筒体からなり、軸直角断面の円周に沿って、火炎噴射可能な4本のバーナー41が配設されている。バーナーの本数は任意に調整される。このバーナー41の軸方向は内周面に沿うように配置されるから、バーナー41から放射される火炎は円周面に沿うように流れ、内部には大きな火炎旋回流Fが形成される。この火炎旋回流Fは上下に連続して多数形成されるから、下部火炎旋回流と上部火炎旋回流との間に広範囲な一定温度の焼成空間44が形成される。
FIG. 2 is a simplified cross-sectional view of the
また、原料ミスト貯留部22から上昇した原料ミストもこの火炎旋回流に沿って流れ、滞留時間が長くなるので原料ミストMの熱分解時間を調節でき、また反応部23の長さの短縮が可能となる。また、図1に示されるように、反応部23の下方には、冷却ガス供給手段42が配置されている。この冷却ガス供給手段42からは、冷却ガス、例えば冷却空気が供給される。バーナー41への燃料の流量を調節したり、また冷却ガス供給手段42からの冷却ガス流量を調節することにより、反応部23内における温度調節が可能となっている。なお、冷却ガス供給手段42は必ずしも必要とするものではない。
In addition, the raw material mist rising from the raw material
ここで、上記構成からなる筒状反応部11における粉体生成プロセスについて説明する。2流体ノズル32には、図示しない圧送器によりマンガン酸リチウム粉体を熱分解生成するための原料溶液Sが圧送される。例えば、水酸化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の溶液が圧送され、2流体ノズル32から高圧空気と共に上記溶液が導入管31内に噴霧され、平均径10μm程度の原料ミストMが生成される。この原料ミストMは、導入管31から原料ミスト貯留部22内に噴霧され、比較的大きな径の原料ミストMは壁面に接触すると濡れて壁面にトラップされる。比較的小さい径の原料ミストMは接触しても、原料ミスト自身の表面張力が大きく濡れないため、原料ミスト貯留部22内に浮遊する。この結果、径の分布標準偏差が小さい原料ミストMが残存する。この残存した原料ミストMは、吸引機13により吸引されて、原料ミスト貯留部22からフィルター43の開口部43aを介して上昇し、反応部23に至る
Here, the powder production process in the cylindrical reaction part 11 which consists of the said structure is demonstrated. A raw material solution S for thermally decomposing lithium manganate powder is pumped to the two-
図示する例では、反応部23のバーナー41は4本ずつ2段に配設されており、火炎流は反応部23内で円周方向に噴射され、火炎旋回流Fが形成されている。これにより、反応部23内での温度が均一になり、原料ミストMは火炎旋回流Fの流線に沿って流動する。このため、液滴が蒸発し、熱分解するのに十分な滞留時間の確保が可能となっている。この反応部23で瞬時に熱分解、溶融、合成が起こり、目的とするマンガン酸リチウム粉体が生成される。
In the illustrated example, four
マンガン酸リチウムを硝酸塩溶液を用いて作成する場合は、急激な温度勾配の雰囲気下では、マンガン酸リチウム粉体は所望形状の微粉体にならないことがある。このため、反応部23での昇温速度を厳密に管理する必要があり、粉体の形成において焼成温度の制御が極めて重要である。従って、本発明はバーナー41の数を限定するものでなく、反応部23内で処理溶液に応じた軸方向温度分布を実現するように、バーナー41の円周方向における本数、軸方向の段数は最適値に設定されている。また、図示しない温度制御装置により上述したバーナー41の燃料流量或いは冷却ガス流量を調節して、最適な温度分布を得るようにしてもよい。
When lithium manganate is prepared using a nitrate solution, the lithium manganate powder may not be a fine powder having a desired shape under an atmosphere with a rapid temperature gradient. For this reason, it is necessary to strictly manage the rate of temperature rise in the
このようにして熱分解により得られたマンガン酸リチウム粉体は、一次粒子径がナノメートルオーダの超微粒粉体となり、排ガスと共に筒状反応部11からダクト14を経由して粉体分離部12に至る過程で粉体分離部12の耐熱温度以下に冷却される。この粉体は排ガスとともに粉体分離部12に導かれ、回収部材24により排気ガスと分離され、粉体は回収部材24内に収集され、通過した排ガスはダクト15を介して吸引機13により外部に排出される。
The lithium manganate powder obtained by pyrolysis in this way becomes an ultrafine powder having a primary particle size of the order of nanometers, and together with the exhaust gas, the powder separation part 12 passes from the cylindrical reaction part 11 via the
なお、筒状反応部11内の圧力は大気圧より低くてもよく、大気圧でもよく、大気圧より高くてもよい。更に、筒状反応部11内の雰囲気ガスの種類については、何ら限定するものではなく、種々の雰囲気ガスが適用できる。酸素との燃焼反応を利用する場合には、空気、酸素ガスが搬送ガスGとなり、非酸化性雰囲気で焼成する場合には、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが搬送ガスGとなる。 In addition, the pressure in the cylindrical reaction part 11 may be lower than atmospheric pressure, may be atmospheric pressure, and may be higher than atmospheric pressure. Furthermore, the kind of atmospheric gas in the cylindrical reaction part 11 is not limited at all, and various atmospheric gases can be applied. When using a combustion reaction with oxygen, air or oxygen gas becomes the carrier gas G. When firing in a non-oxidizing atmosphere, an inert gas such as nitrogen, hydrogen, helium, or argon is used as the carrier gas G. Become.
また、本発明は反応部23の断面形状を円形に限定するものではなく、軸直角断面の内周が90°よりも小さい角部を有さない筒状の形状を有していれば良く、例えば5角形、6角形などの断面形状のものでも良い。
更に、本発明は、原料ミスト供給部21の数についても限定するものではなく、原料ミスト供給部21の数はひとつでも良い。
その他、本発明は、2流体ノズル32に限定するものはなく、複数のノズルを用いて、原料ミスト供給部21へ原料ミストとを噴出するようにしても良い。
Further, the present invention does not limit the cross-sectional shape of the
Furthermore, the present invention does not limit the number of raw material
In addition, the present invention is not limited to the two-
図3は原料ミストMの焼成による変化過程を示した説明図である。原料ミスト(Mist)は溶媒が蒸発すると共に析出・乾燥(Precipitation and Drying)され、次に熱分解(Pyrolysis)を受け、最終的に焼結(Sintering)される。 FIG. 3 is an explanatory view showing a changing process by firing the raw material mist M. FIG. As the solvent evaporates, the raw material mist is precipitated and dried (Precipitation and Drying), then subjected to pyrolysis and finally sintered (Sintering).
図4は、本発明に係るマンガン酸リチウム粉体の製造方法の第2実施形態を実現する粉体製造装置1の概略構成図である。図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分を以下に説明する。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a
バーナー41は、間隔Wだけ離間して上下に4段に配置されている。この間隔Wは任意に設定できる。その結果、大きな高温の焼成空間44が形成される。この焼成空間44のサイズLは、2段配置された図1と比較して約3倍の大きさを有する。この大きな焼成空間44内に多数の火炎旋回流Fが形成され、原料ミストMは十分な焼成反応を受けることになる。
The
図5は、本発明に係るマンガン酸リチウム粉体の製造方法の第3実施形態を実現する粉体製造装置1の概略構成図である。図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分を以下に説明する。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a
原料ミスト貯留部22上方に配置されるフィルター43として、メッシュフィルター又はパンチングメタルフィルターが利用されている。このため、原料ミストMが原料ミスト貯留部22内に分離貯留され、原料ミストMの粒径・質量均一性が一層高められ、均質な生成粉体を製造できる。また、反応部23から落下する粉体があっても、このフィルター43により受けられ、原料ミスト貯留部22内を正常に保持できる。
A mesh filter or a punching metal filter is used as the
次に、マンガン酸リチウム粉体の製造試験を行った。図6はマンガン酸リチウムの結晶構造図である。この結晶構造を有した粒子が目的とする粉体である。 Next, a production test of lithium manganate powder was performed. FIG. 6 is a crystal structure diagram of lithium manganate. The particles having this crystal structure are the target powder.
マンガン酸リチウムの原料として、硝酸リチウム及び硝酸マンガンを用い、Li/Mn比が0.54となるように1mol/dm3の原料溶液を調製した。この原料溶液を2流体ノズルにより噴霧し、バーナーによる火炎旋回流中で熱分解を行なった。火炎燃料にはLPガスを使用し、反応部の温度は700℃〜1200℃までに設定された。生成粉体は結晶性が低かったため、700℃で再焼成された。一般に、再焼成温度は600℃〜1000℃の範囲で行なわれる。焼成及び再焼成の2段階焼成によって所望性能のマンガン酸リチウム粉体が製造できることが分かった。 As a raw material for lithium manganate, lithium nitrate and manganese nitrate were used, and a 1 mol / dm 3 raw material solution was prepared so that the Li / Mn ratio was 0.54. This raw material solution was sprayed by a two-fluid nozzle and pyrolyzed in a flame swirl flow by a burner. LP gas was used as the flame fuel, and the temperature of the reaction section was set to 700 ° C to 1200 ° C. The resulting powder had low crystallinity and was refired at 700 ° C. Generally, the refiring temperature is in the range of 600 ° C to 1000 ° C. It was found that lithium manganate powder with desired performance can be produced by two-stage firing of firing and re-firing.
このマンガン酸リチウム粉体をスラリー化して、基体表面に塗着して正極を形成した。負極としてリチウム、電解液に1MのLiPF6 EC/DMC(50/50vol%)溶液を使用してリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を使用して充放電試験を行なった。 This lithium manganate powder was slurried and applied to the substrate surface to form a positive electrode. A lithium secondary battery was fabricated using lithium as the negative electrode and a 1M LiPF6 EC / DMC (50/50 vol%) solution as the electrolyte. A charge / discharge test was performed using this lithium secondary battery.
図7は750℃で熱分解生成されたマンガン酸リチウム粉体の電子顕微鏡像である。各粒子は多孔性粒子であることが確認され、正極活物質として利用できることが分かった。 FIG. 7 is an electron microscope image of lithium manganate powder pyrolyzed at 750 ° C. It was confirmed that each particle was a porous particle and could be used as a positive electrode active material.
図8は900℃で熱分解生成されたマンガン酸リチウム粉体の電子顕微鏡像である。各粒子は多孔性粒子であることが確認され、図7と同様に正極活物質として利用できることが分かった。 FIG. 8 is an electron microscope image of lithium manganate powder pyrolyzed at 900 ° C. Each particle was confirmed to be a porous particle, and was found to be usable as a positive electrode active material as in FIG.
図9は750℃で生成されたマンガン酸リチウム粉体の粉末X線回折図である。縦軸は回折強度、横軸はブラッグ角2θを示す。実線は従来の外燃方式(External combustion type)により得られた試料である。長破線及び短破線は本発明の内燃方式(Internal combustion type)により得られた試料である。長破線は750℃焼成且つ窒素ガス雰囲気下で得られた試料である。短破線は750℃焼成且つ空気雰囲気下で得られた試料である。Calcined(仮焼)(700℃・2h)の文字は、焼成により粉体を生成した後、更に700℃で2時間再焼成することを意味する。As-prepared(生成粉体)の文字は全く再焼成を施さないことを意味する。 FIG. 9 is a powder X-ray diffraction pattern of the lithium manganate powder produced at 750 ° C. The vertical axis represents the diffraction intensity, and the horizontal axis represents the Bragg angle 2θ. The solid line is a sample obtained by the conventional external combustion type. The long broken line and the short broken line are samples obtained by the internal combustion type of the present invention. The long dashed line is a sample obtained by firing at 750 ° C. and under a nitrogen gas atmosphere. The short dashed line is a sample obtained by firing at 750 ° C. and in an air atmosphere. The letters “Calcined” (700 ° C. · 2 h) mean that powder is produced by firing and then re-baked at 700 ° C. for 2 hours. The letter “As-prepared” (generated powder) means that no re-firing is performed.
外燃方式では不純物ピークが含まれ、正極活物質としては好ましくないことが分かった。本発明の内燃方式では、不純物ピークが無いことから、不純物が殆ど含まれていないことが分かる。また、本発明では、再焼成を施す前(As-prepared:生成粉体)はピーク高さが低いが、再焼成を施すとピークは急激に高くなり、結晶化が進むことが分かった。更に、空気雰囲気でも窒素雰囲気でも所望の結晶化が促進することが分かった。 It was found that the external combustion method includes an impurity peak and is not preferable as a positive electrode active material. In the internal combustion system of the present invention, since there is no impurity peak, it can be seen that impurities are hardly contained. Further, in the present invention, the peak height was low before re-baking (As-prepared: generated powder), but it was found that when re-baking, the peak increased rapidly and crystallization progressed. Furthermore, it has been found that the desired crystallization is promoted in both an air atmosphere and a nitrogen atmosphere.
図10は、図9における750℃・N2のマンガン酸リチウム粉体から構成されたリチウム二次電池の充放電特性図である。左図は放電カーブを示し、右図はサイクル特性図を示す。放電カーブの縦軸は出力電圧(Voltage)、横軸は1グラム当たりの比放電容量(Specific discharge capacity)であり、その単位はmAh/gである。サイクル特性の縦軸は比放電容量(Specific discharge capacity)であり、横軸はサイクル数(Cycle number)である。 FIG. 10 is a charge / discharge characteristic diagram of the lithium secondary battery composed of the 750 ° C. · N 2 lithium manganate powder in FIG. The left figure shows the discharge curve, and the right figure shows the cycle characteristics. The vertical axis of the discharge curve is the output voltage (Voltage), the horizontal axis is the specific discharge capacity per gram, and its unit is mAh / g. The vertical axis of the cycle characteristics is the specific discharge capacity, and the horizontal axis is the cycle number.
破線は外燃方式で作製されたリチウム二次電池であり、実線は本発明の内燃方式で作製されたリチウム二次電池である。1Cは基準電気負荷の動作カーブ、4Cは基準負荷の4倍負荷の動作カーブを示す。外燃方式と内燃方式とを1Cで比較すると、それほど違いは見られない。4Cの過大負荷では特性はやや低下しているが、過大負荷で特性が低下する傾向は全てのリチウム二次電池に共通した性質であり、本発明のリチウム二次電池は実用に耐える水準に達していることが実証された。 A broken line is a lithium secondary battery manufactured by the external combustion system, and a solid line is a lithium secondary battery manufactured by the internal combustion system of the present invention. 1C represents an operation curve of a reference electric load, and 4C represents an operation curve of a load four times the reference load. When the external combustion system and the internal combustion system are compared at 1C, there is not much difference. Although the characteristics are slightly deteriorated at an excessive load of 4C, the tendency of the characteristics to decrease at an excessive load is a property common to all lithium secondary batteries, and the lithium secondary battery of the present invention has reached a level that can withstand practical use. It was proved that.
図11は、図9における750℃・空気のマンガン酸リチウム粉体から構成されたリチウム二次電池の充放電特性図である。詳細は図10と同様であるから省略し、異なる部分のみを説明する。7Cは基準負荷の7倍負荷の動作カーブを示す。7Cの過大負荷でも特性はやや低下しているが、前述した理由により問題としない。従って、本発明のリチウム二次電池は実用に耐える水準に達していることが実証された。 FIG. 11 is a charge / discharge characteristic diagram of the lithium secondary battery composed of the lithium manganate powder at 750 ° C./air in FIG. Details are the same as those in FIG. 10 and are omitted, and only different portions will be described. 7C shows an operation curve of a load seven times the reference load. Although the characteristics are slightly deteriorated even at an excessive load of 7C, there is no problem for the reason described above. Therefore, it was demonstrated that the lithium secondary battery of the present invention has reached a level that can withstand practical use.
図12は900℃で生成されたマンガン酸リチウム粉体の粉末X線回折図である。縦軸は回折強度、横軸はブラッグ角2θを示す。実線は従来の外燃方式(External combustion type)により得られた試料である。破線は本発明の内燃方式(Internal combustion type)により得られた試料であり、900℃焼成且つ大気中雰囲気下で得られた試料である。Calcined(仮焼)(900℃・2h)の文字は、焼成により粉体を生成した後、更に700℃で2時間再焼成することを意味する。As-prepared(生成粉体)の文字は全く再焼成を施さないことを意味する。 FIG. 12 is a powder X-ray diffraction pattern of the lithium manganate powder produced at 900 ° C. The vertical axis represents the diffraction intensity, and the horizontal axis represents the Bragg angle 2θ. The solid line is a sample obtained by the conventional external combustion type. A broken line is a sample obtained by the internal combustion type of the present invention, and is a sample obtained by firing at 900 ° C. and in an atmospheric atmosphere. The letters “Calcined” (900 ° C. · 2 h) mean that powder is produced by firing and then re-fired at 700 ° C. for 2 hours. The letter “As-prepared” (generated powder) means that no re-firing is performed.
外燃方式では不純物ピークが含まれ、正極活物質としては好ましくないことが分かった。本発明の内燃方式では、不純物ピークが無いことから、不純物が殆ど含まれていないことが分かる。また、本発明では、再焼成を施す前(As-prepared:生成粉体)はピーク高さが低いが、再焼成を施すとピークは急激に高くなり、結晶化が進むことが分かった。更に、空気雰囲気で所望の結晶化が促進することが分かった。 It was found that the external combustion method includes an impurity peak and is not preferable as a positive electrode active material. In the internal combustion system of the present invention, since there is no impurity peak, it can be seen that impurities are hardly contained. Further, in the present invention, the peak height was low before re-baking (As-prepared: generated powder), but it was found that when re-baking, the peak increased rapidly and crystallization progressed. Furthermore, it has been found that the desired crystallization is promoted in an air atmosphere.
図13は、図12のマンガン酸リチウム粉体から構成されたリチウム二次電池の充放電特性図である。左図は放電カーブを示し、右図はサイクル特性図を示す。放電カーブの縦軸は出力電圧(Voltage)、横軸は1グラム当たりの比放電容量(Specific discharge capacity)であり、その単位はmAh/gである。サイクル特性の縦軸は比放電容量(Specific discharge capacity)であり、横軸はサイクル数(Cycle number)である。 FIG. 13 is a charge / discharge characteristic diagram of a lithium secondary battery composed of the lithium manganate powder of FIG. The left figure shows the discharge curve, and the right figure shows the cycle characteristics. The vertical axis of the discharge curve is the output voltage (Voltage), the horizontal axis is the specific discharge capacity per gram, and its unit is mAh / g. The vertical axis of the cycle characteristics is the specific discharge capacity, and the horizontal axis is the cycle number.
実線は本発明の内燃方式で作製されたリチウム二次電池である。1Cは基準電気負荷の動作カーブ、4Cは基準負荷の4倍負荷の動作カーブ、7Cは基準負荷の7倍負荷の動作カーブ、9Cは基準負荷の9倍負荷の動作カーブを示す。熱分解温度750℃と比べて熱分解温度900℃では放電カーブ及びサイクル特性カーブとも基準負荷動作カーブである1Cと比較してその格差が小さくなっている。従って、本発明のリチウム二次電池は、過大負荷での充放電においても十分使用できることが実証された。 A solid line is a lithium secondary battery manufactured by the internal combustion system of the present invention. 1C represents an operation curve of a reference electric load, 4C represents an operation curve of a four times load of the reference load, 7C represents an operation curve of a seven times load of the reference load, and 9C represents an operation curve of a nine times load of the reference load. Compared to the thermal decomposition temperature of 750 ° C., the thermal decomposition temperature of 900 ° C. has a smaller difference in both the discharge curve and the cycle characteristic curve compared to the reference load operation curve of 1C. Therefore, it was demonstrated that the lithium secondary battery of the present invention can be sufficiently used even in charge / discharge under an excessive load.
図14は実施例1で作製されたマンガン酸リチウム粉体から形成された電極の仕様表である。正極には本発明のマンガン酸リチウム粉体を用い、導電材として炭素微粉、結着材としてPVDF(ポリビニリデンフルオライド)を使用した。負極は人工黒鉛である。 FIG. 14 is a specification table of electrodes formed from the lithium manganate powder produced in Example 1. The lithium manganate powder of the present invention was used for the positive electrode, carbon fine powder was used as the conductive material, and PVDF (polyvinylidene fluoride) was used as the binder. The negative electrode is artificial graphite.
単セルの仕様は図14の通りである。この仕様は電気自転車に実装される電極及びセル仕様である。このセルを電気自動車用に使用することも可能である。この仕様に従った電極を作製して、本発明のマンガン酸リチウム粉体の実仕様特性を試験した。この実試験に合格するデータが得られれば、本発明はリチウム二次電池に画期的な技術を提供できることになる。 The specifications of the single cell are as shown in FIG. This specification is an electrode and cell specification mounted on an electric bicycle. It is also possible to use this cell for an electric vehicle. An electrode according to this specification was prepared, and the actual specification characteristics of the lithium manganate powder of the present invention were tested. If data that passes this actual test is obtained, the present invention can provide a breakthrough technology to a lithium secondary battery.
図15は、図14で得られた電極を用いて作製された電気自転車用電池の仕様表である。設計電気容量は5.4Ah、平均電圧は34.2V、稼動電圧は30〜37.8V、モジュール重量は3kg、モジュールサイズは285×180×65mm、重量エネルギー密度は61.5Wh/kgである。 FIG. 15 is a specification table of an electric bicycle battery manufactured using the electrodes obtained in FIG. The design electric capacity is 5.4 Ah, the average voltage is 34.2 V, the operating voltage is 30 to 37.8 V, the module weight is 3 kg, the module size is 285 × 180 × 65 mm, and the weight energy density is 61.5 Wh / kg.
図16は10個の単セルの初期特性表である。このうち9個の単セルを直列接続して1台の電気自動車用電池が作製される。単セルはD1〜D10の10個が用意され、夫々について初期容量(Ah)、DC抵抗(mΩ)、ACインピーダンス(mΩ)が測定された。0.2C負荷と1C負荷では、初期容量はそれ程変化せず、設計容量5.4Ahからそれ程逸脱していないことが実証された。DC抵抗とACインピーダンスも10種類についてバラツキは極めて小さく、安定品質を有した単セル及び電気自動車用電池の大量生産が可能であることを示した。 FIG. 16 is an initial characteristic table of 10 single cells. Of these, nine single cells are connected in series to produce one electric vehicle battery. Ten single cells, D1 to D10, were prepared, and the initial capacity (Ah), DC resistance (mΩ), and AC impedance (mΩ) were measured for each. It was proved that the initial capacity did not change so much at 0.2 C load and 1 C load, and did not deviate so much from the design capacity of 5.4 Ah. The DC resistance and AC impedance were also very small for 10 types, indicating that mass production of single-cell and electric vehicle batteries with stable quality was possible.
図17は本発明より作製された単セルの出力特性図である。1Cを基準負荷として、0.2C(軽負荷)〜30C(過大負荷)について出力特性が測定された。0.2C〜10Cまで出力特性の変化は小さく、本発明の単セルが品質安定性を有することが証明された。 FIG. 17 is an output characteristic diagram of a single cell fabricated from the present invention. Output characteristics were measured for 0.2C (light load) to 30C (excessive load) with 1C as a reference load. The change in output characteristics was small from 0.2C to 10C, and it was proved that the single cell of the present invention had quality stability.
図18は本発明と従来固相法との単セルの出力特性比較図である。縦軸は放電容量を示し、横軸は放電負荷を示す。従来固相法では、放電負荷が増大すると急激に放電容量が低下する。他方、本発明の火炎噴霧法では、放電負荷が増大しても放電容量は緩慢に減少し、過大負荷に対しても対応できる電池特性を示すことが実証された。 FIG. 18 is a comparison diagram of output characteristics of a single cell between the present invention and a conventional solid phase method. The vertical axis represents the discharge capacity, and the horizontal axis represents the discharge load. In the conventional solid phase method, when the discharge load increases, the discharge capacity rapidly decreases. On the other hand, with the flame spray method of the present invention, it has been demonstrated that the discharge capacity slowly decreases even when the discharge load increases, and the battery characteristics that can cope with an excessive load are exhibited.
図19は単セルを9個用いた電気自転車用電池の出力特性図である。縦軸は出力電圧であり、横軸は電気容量である。電気容量を増加しても出力電圧は殆ど変化しない。また、電気負荷を0.2〜5Cの範囲で変化させても出力特性は殆ど変化しない。従って、電気自動車用電池として好適なマンガン酸リチウム二次電池を実現できる。 FIG. 19 is an output characteristic diagram of an electric bicycle battery using nine single cells. The vertical axis is the output voltage, and the horizontal axis is the electric capacity. Even if the electric capacity is increased, the output voltage hardly changes. Further, even if the electric load is changed in the range of 0.2 to 5C, the output characteristics hardly change. Therefore, a lithium manganate secondary battery suitable as an electric vehicle battery can be realized.
本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、マンガン酸リチウムに添加物を配合し、例えばマンガン・ニッケル酸リチウムやマンガン・ニッケル・コバルト酸リチウムも含まれるものである。また、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更をその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and an additive is added to lithium manganate, for example, manganese / nickelate lithium or manganese / nickel / cobaltate lithium is also included. Further, it goes without saying that various modifications and design changes are included in the technical scope without departing from the technical idea of the present invention.
本発明に係るマンガン酸リチウム粉体は、リチウム系二次電池の正極材料として利用でき、これを用いて電極及びリチウム系二次電池を提供できる。このリチウム系二次電池は携帯電話、ノート型パソコン、カメラ一体型ビデオ、自転車用電池、電気自動車用電池、携帯機器用電池、その他一般用二次電池として利用できる。 The lithium manganate powder according to the present invention can be used as a positive electrode material of a lithium secondary battery, and an electrode and a lithium secondary battery can be provided by using this. This lithium secondary battery can be used as a mobile phone, a notebook computer, a camera-integrated video, a battery for a bicycle, a battery for an electric vehicle, a battery for a portable device, and other secondary batteries for general use.
1 粉体製造装置
11 筒状反応部
12 粉体分離部
13 吸引機
14 ダクト
15 ダクト
21 原料ミスト供給部
22 原料ミスト貯留部
23 反応部
24 回収部材
31 導入管
32 2流体ノズル
41 バーナー
42 冷却ガス供給手段
43 フィルター
43a 開口部
44 焼成空間
100 筒状反応部
101 配管
102 粉体原料噴出部
103 トーチバーナー
104 噴霧用ノズル
105 筒状反応部
106 粉体原料供給部
107 加熱器
108 冷却部
109 粉体送出器
F 火炎旋回流
G 搬送ガス
L 間隔
M 原料ミスト
S 原料溶液
W 間隔
1 Powder production equipment 11 Tubular reaction section
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