JP7707592B2 - Method for producing positive electrode active material for lithium secondary battery - Google Patents
Method for producing positive electrode active material for lithium secondary batteryInfo
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Description
本発明は、リチウム二次電池の正極に用いられる正極活物質の製造方法に関する。
に関する。
The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material used in the positive electrode of a lithium secondary battery.
Regarding.
高いエネルギー密度を有し、小型で軽量な二次電池として、広く普及しているリチウム二次電池では、その正極及び負極に用いられる活物質の高容量化が要求されている。 Lithium secondary batteries are widely used as small, lightweight secondary batteries with high energy density, and there is a demand for higher capacity active materials used in the positive and negative electrodes.
高い充放電容量を有する正極活物質としては、α-NaFeO2型の層状構造を有するLiMO2(Mは、Ni、Co、Mn等の金属元素を示す。)で表されるリチウム複合化合物が知られている。この正極活物質は、特にニッケルの比率が高くなるほど容量が高くなる傾向を示すことから、電池の高エネルギー密度化を実現する正極活物質として期待されている。
そして、高い生産性と低い生産コストを有するリチウム複合化合物が求められている。
A lithium composite compound represented by LiMO 2 (where M represents a metal element such as Ni, Co, or Mn) having an α-NaFeO 2- type layered structure is known as a positive electrode active material having a high charge/discharge capacity. This positive electrode active material shows a tendency for the capacity to increase as the ratio of nickel increases, in particular, and is therefore expected to be a positive electrode active material that can achieve high energy density in batteries.
There is a demand for lithium composite compounds that have high productivity and low production costs.
正極活物質の製造過程において、リチウム複合化合物の形成反応を行う焼成炉として、ロータリーキルンを利用する技術が提案されている。ロータリーキルンは、特別な焼成容器を要さず、炉内を容易に酸化性雰囲気に保つことが可能であるといった特徴を有している。 In the manufacturing process of positive electrode active materials, a technology has been proposed that uses a rotary kiln as a firing furnace in which the reaction to form lithium composite compounds takes place. A rotary kiln has the advantage that it does not require a special firing vessel and can easily maintain an oxidizing atmosphere inside the furnace.
例えば、特許文献1には、転動熱処理工程に用いる焼成炉の炉心管がセラミックス製、又は、ニッケル製、タングステン製、モリブテン製、チタン製、若しくは、これらの金属を主成分とする合金製であることが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses that the furnace tube of the sintering furnace used in the rolling heat treatment process is made of ceramics, nickel, tungsten, molybdenum, titanium, or an alloy containing these metals as the main components.
また、特許文献2には、内筒管を有する二重構造の炉心管において、炉心管の内層、または内筒管の外層の少なくともいずれか一方は、金属ニッケル材あるいはニッケル合金材からなることが開示されている。 Patent Document 2 also discloses that in a furnace core tube with a double structure having an inner cylindrical tube, at least one of the inner layer of the furnace core tube and the outer layer of the inner cylindrical tube is made of metallic nickel material or nickel alloy material.
しかしながら、セラミックス製の炉心管では装置の大型化が困難で高い生産性を得るのが難しく、金属を主成分とする合金製では炉心管の長期に渡る使用に伴い金属成分が原料に混入してくる恐れがある。 However, ceramic furnace tubes make it difficult to increase the size of the equipment and achieve high productivity, and with alloy furnace tubes whose main component is metal, there is a risk that metal components will become mixed into the raw materials over long-term use.
そこで本発明では、高品質で高い生産性と低い生産コストを有するリチウム二次電池用正極活物質を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a positive electrode active material for lithium secondary batteries that is high quality, highly productive, and has low production costs.
本発明の一態様のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法は、リチウム化合物と下記式(1)中のLi以外の金属元素を含む化合物とを混合する混合工程と、前記混合工程を経て得られた前駆体を焼成して下記(1)で表されるリチウム複合化合物を得る焼成工程と、を有し、前記焼成工程は、前記前駆体を焼成炉の炉心管内で転動させつつ熱処理を行う熱処理工程を少なくとも有し、前記炉心管において、接粉部の最表層に純アルミニウムを表面酸化させて得られたアルミニウム酸化物が形成されており、その下地層には前記純アルミニウムと前記炉心管の母材との合金層が形成されていることを特徴とする。
Li1+aM1O2+α・・・(1)
(但し、前記式(1)中、M1は、Li以外の金属元素であって少なくともNiと、Mn、Co、Al、Ti、Zr、Mo、Nb、W、V、Cr、Mg、Ca、Cu、Zn、Snのいずれかを含み、M1における前記Niの割合が70原子%以上、a及びαは、―0.1≦a≦0.2、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)
A method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention includes a mixing step of mixing a lithium compound with a compound containing a metal element other than Li in the following formula (1), and a firing step of firing a precursor obtained through the mixing step to obtain a lithium composite compound represented by the following formula (1), wherein the firing step includes at least a heat treatment step of performing a heat treatment on the precursor while rolling it in a core tube of a firing furnace, and is characterized in that in the core tube, an aluminum oxide obtained by surface oxidizing pure aluminum is formed on the outermost layer of the powder-contacting part, and an alloy layer between the pure aluminum and a base material of the core tube is formed on the underlying layer.
Li 1+a M1O 2+α ...(1)
(In the formula (1), M1 is a metal element other than Li, and includes at least Ni and any one of Mn, Co, Al, Ti, Zr, Mo, Nb, W, V, Cr, Mg, Ca, Cu, Zn, and Sn , the proportion of Ni in M1 is 70 atomic % or more, and a and α are numbers that satisfy −0.1≦a≦0.2 and −0.2≦α≦0.2.)
また、本発明のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法において、前記焼成炉は、前記炉心管の内周面側に向けて酸化性ガスを噴射する第1給気管と、当該炉心管の軸方向に向けて酸化性ガスを流す第2給気管とを備え、前記第1給気管には、前記第1給気管の円周方向を開口方向とする複数の噴射口を有することが好ましい。 In addition, in the manufacturing method of the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention, the sintering furnace is provided with a first air supply pipe that injects an oxidizing gas toward the inner surface side of the furnace core tube, and a second air supply pipe that flows the oxidizing gas in the axial direction of the furnace core tube, and it is preferable that the first air supply pipe has a plurality of injection ports whose opening direction is the circumferential direction of the first air supply pipe.
また、本発明のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法は、前記炉心管において、前記第1給気管を保持する脚が、前記炉心管とは接合されていないことが好ましい。 In addition, in the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, it is preferable that the legs that hold the first air supply pipe in the furnace tube are not joined to the furnace tube.
また、本発明のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法は、前記熱処理工程において、700℃以上で2時間以上保持する工程を含むことが好ましい。
また、本発明の別の態様におけるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法は、リチウム化合物と下記式(1)中のLi以外の金属元素を含む化合物とを混合する混合工程と、
前記混合工程を経て得られた前駆体を焼成して下記(1)で表されるリチウム複合化合物を得る焼成工程と、を有し、
前記焼成工程は、前記前駆体を焼成炉の炉心管内で転動させつつ熱処理を行う熱処理工程を少なくとも有し、
前記焼成炉は、前記炉心管の内周面側に向けて酸化性ガスを噴射する第1給気管と、当該炉心管の軸方向に向けて酸化性ガスを流す第2給気管とを備え、
前記第1給気管には、前記第1給気管の円周方向を開口方向とする複数の噴射口を有し、
前記炉心管において、接粉部の最表層にアルミニウム酸化物が形成されており、その下地層にはアルミニウムと前記炉心管の母材との合金層が形成され、前記第1給気管を保持する脚が前記炉心管とは接合されていない
ことを特徴とする。
Li
1+a
M1O
2+α
・・・(1)
(但し、前記式(1)中、M1は、Li以外の金属元素であって少なくともNiを含み、M1における前記Niの割合が70原子%以上、a及びαは、-0.1≦a≦0.2、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)
In the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, the heat treatment step preferably includes a step of maintaining the material at 700° C. or higher for 2 hours or longer.
In another aspect of the present invention, a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery includes a mixing step of mixing a lithium compound with a compound containing a metal element other than Li in the following formula (1),
and a calcination step of calcining the precursor obtained through the mixing step to obtain a lithium composite compound represented by the following (1),
The firing step includes at least a heat treatment step of performing a heat treatment on the precursor while rolling it in a furnace tube of a firing furnace,
the firing furnace includes a first air supply pipe that injects an oxidizing gas toward an inner peripheral surface side of the furnace core tube, and a second air supply pipe that flows the oxidizing gas in an axial direction of the furnace core tube;
The first air intake pipe has a plurality of injection ports whose opening direction is in a circumferential direction of the first air intake pipe,
In the furnace core tube, an aluminum oxide is formed on the outermost layer of the powder contact portion, and an alloy layer of aluminum and the base material of the furnace core tube is formed on the underlying layer, and the legs that hold the first air supply pipe are not joined to the furnace core tube.
It is characterized by:
Li 1+a M1O 2+α ...(1)
(In the formula (1), M1 is a metal element other than Li and contains at least Ni, the proportion of Ni in M1 is 70 atomic % or more, and a and α are numbers that satisfy −0.1≦a≦0.2 and −0.2≦α≦0.2.)
本発明によれば、高品質で高い生産性と低い生産コストを有するリチウム二次電池用正極活物質を提供することができる。 The present invention makes it possible to provide a positive electrode active material for lithium secondary batteries that is high quality, highly productive, and has low production costs.
以下、本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池用正極活物質(以下、単に正極活物質と言うことがある。)とその製造方法について詳細に説明する。なお、以下の説明は、本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更が可能である。 The following provides a detailed description of a positive electrode active material for lithium secondary batteries (hereinafter, sometimes simply referred to as a positive electrode active material) according to one embodiment of the present invention and a method for producing the same. Note that the following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these. Various modifications of the present invention are possible for those skilled in the art within the scope of the technical ideas disclosed in this specification.
<正極活物質>
本実施形態に係る正極活物質は、リチウムと遷移金属とを含んで組成され、空間群R-3mに帰属される層状岩塩型の結晶構造(以下、層状構造ということがある。)を有するリチウム複合化合物である。この正極活物質は、電圧の印加によってリチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出することを可能としており、リチウム二次電池用(リチウムイオン二次電池用)の正極活物質として好適に用いられる。なお、リチウム複合化合物は、リチウム複合酸化物ともいう。
<Cathode active material>
The positive electrode active material according to this embodiment is a lithium composite compound having a layered rock-salt type crystal structure (hereinafter, sometimes referred to as a layered structure) that is composed of lithium and a transition metal and belongs to the space group R-3m. This positive electrode active material is capable of reversibly absorbing and releasing lithium ions by application of a voltage, and is suitably used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries (lithium ion secondary batteries). The lithium composite compound is also called a lithium composite oxide.
本実施形態に係る正極活物質は、次の式(1):
Li1+aM1O2+α・・・(1)
(但し、前記式(1)中、M1は、Li以外の金属元素であって少なくともNiを含み、M1当たりにおける前記Niの割合が70原子%を超え、a及びαは、-0.1≦a≦0.2、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)で表される。
The positive electrode active material according to this embodiment has the following formula (1):
Li 1+a M1O 2+α ...(1)
(In the formula (1), M1 is a metal element other than Li and contains at least Ni, the proportion of Ni per M1 exceeds 70 atomic %, and a and α are numbers that satisfy −0.1≦a≦0.2 and −0.2≦α≦0.2.)
本実施形態に係る正極活物質は、リチウム(Li)以外の金属元素(M1)当たりにおけるニッケル(Ni)の割合が70原子%を超える組成を有することにより、高いエネルギー密度や高い充放電容量を実現することができる正極活物質である。なお、リチウム(Li)以外の金属元素(M1)当たりにおけるニッケル(Ni)の割合は、70原子%を超え100原子%未満の範囲で適宜の値を採ることが可能である。このようにニッケルを高い割合で含む正極活物質であるが故にNi2+をNi3+へと酸化させる酸化反応が効率的に行われることは重要である。 The positive electrode active material according to this embodiment is a positive electrode active material that can realize a high energy density and a high charge/discharge capacity by having a composition in which the ratio of nickel (Ni) per metal element (M1) other than lithium (Li) exceeds 70 atomic %. The ratio of nickel (Ni) per metal element (M1) other than lithium (Li) can be an appropriate value in the range of more than 70 atomic % and less than 100 atomic %. Since it is a positive electrode active material containing a high ratio of nickel, it is important that the oxidation reaction of oxidizing Ni 2+ to Ni 3+ is efficiently carried out.
リチウム(Li)以外の金属元素(M1)としては、ニッケルの他に、遷移金属元素が含まれていてもよいし、非遷移金属元素が含まれていてもよいし、これらが組み合わされて含まれていてもよい。このような金属元素(M1)の具体例としては、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)等が挙げられる。これらの中でも、層状構造を安定させる観点からは、アルミニウム(Al)及び/又はチタン(Ti)が含まれていることが好ましい。 Metal elements (M1) other than lithium (Li) may include transition metal elements, non-transition metal elements, or combinations of these, in addition to nickel. Specific examples of such metal elements (M1) include manganese (Mn), cobalt (Co), aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tungsten (W), vanadium (V), chromium (Cr), magnesium (Mg), calcium (Ca), copper (Cu), zinc (Zn), and tin (Sn). Among these, it is preferable that aluminum (Al) and/or titanium (Ti) are included from the viewpoint of stabilizing the layered structure.
本実施形態に係る正極活物質は、より好ましい具体的な組成が次の式(2):
Li1+aNibMncCodM2eO2+α・・・(2)
(但し、前記式(2)中、M2は、Mg、Al、Ti、Zr、Mo及びNbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、a、b、c、d、e及びαは、-0.1≦a≦0.2、0.7<b≦0.9、0≦c<0.3、0≦d<0.3、0≦e≦0.25、b+c+d+e=1、及び、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)で表される。
The positive electrode active material according to the present embodiment has a more preferable specific composition represented by the following formula (2):
Li 1+a Ni b Mn c Co d M2 e O 2+α ...(2)
(In the formula (2), M2 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Zr, Mo, and Nb, and a, b, c, d, e, and α are numbers satisfying -0.1≦a≦0.2, 0.7<b≦0.9, 0≦c<0.3, 0≦d<0.3, 0≦e≦0.25, b+c+d+e=1, and -0.2≦α≦0.2.)
<正極活物質の製造方法>
本実施形態に係る正極活物質の製造方法は、リチウム二次電池の正極に用いられる正極活物質であって、前記式(1)で表され、層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム複合化合物を合成する方法に関する。
<Method of manufacturing positive electrode active material>
The method for producing a positive electrode active material according to the present embodiment relates to a method for synthesizing a lithium composite compound that is a positive electrode active material used in a positive electrode of a lithium secondary battery, and that is represented by the above formula (1) and has a layered rock salt type crystal structure.
(製造方法フロー)
図1は、本発明の一実施形態に係る正極活物質の製造方法のフロー図である。
図1に示すように、本実施形態に係る正極活物質の製造方法は、混合工程S1と、焼成工程S2と、を有している。混合工程S1を経て原料の化合物から前駆体が調製され、前駆体が焼成工程S2で焼成されることにより、リチウム二次電池(リチウムイオン二次電池)の正極の材料となり得るリチウム複合化合物が合成される。本実施形態に係る製造方法は、焼成工程S2を構成する一工程として、焼成前のリチウム複合化合物の前駆体を焼成炉として用いるロータリーキルンで転動させつつ熱処理を行う熱処理工程を少なくとも有している。
(Manufacturing method flow)
FIG. 1 is a flow diagram of a method for producing a positive electrode active material according to one embodiment of the present invention.
As shown in Fig. 1, the manufacturing method of the positive electrode active material according to the present embodiment includes a mixing step S1 and a calcination step S2. A precursor is prepared from the raw material compounds through the mixing step S1, and the precursor is calcined in the calcination step S2 to synthesize a lithium composite compound that can be a material for the positive electrode of a lithium secondary battery (lithium ion secondary battery). The manufacturing method according to the present embodiment includes at least a heat treatment step, as one step constituting the calcination step S2, in which the precursor of the lithium composite compound before calcination is rolled in a rotary kiln used as a calcination furnace and heat-treated.
混合工程S1では、リチウムを含む化合物(リチウム化合物)と、正極活物質を組成するLi以外の金属元素を含む化合物とを混合する。リチウムを含む化合物としては、炭酸リチウム、水酸化リチウムが挙げられる。炭酸リチウムは、酢酸リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム、塩化リチウム、硫酸リチウム等と比較して、供給が安定していて調達性が良く、低廉である。また、融点が高いので、製造装置へのダメージが少なく、工業利用性及び実用性に優れている。 In the mixing step S1, a compound containing lithium (lithium compound) is mixed with a compound containing a metal element other than Li that constitutes the positive electrode active material. Examples of compounds containing lithium include lithium carbonate and lithium hydroxide. Lithium carbonate is in stable supply, easy to obtain, and inexpensive compared to lithium acetate, lithium nitrate, lithium hydroxide, lithium chloride, lithium sulfate, etc. In addition, because it has a high melting point, it causes less damage to manufacturing equipment and is highly industrially usable and practical.
正極活物質を組成するLi以外の金属元素を含む化合物としては、ニッケルを含む化合物や、マンガンを含む化合物や、コバルトを含む化合物や、M2等の他の金属元素を含む化合物を混合する。 Compounds containing metal elements other than Li that make up the positive electrode active material include compounds containing nickel, compounds containing manganese, compounds containing cobalt, and compounds containing other metal elements such as M2.
ニッケルを含む化合物としては、例えば、純ニッケル(便宜上化合物として含む)、酸化物、水酸化物、炭酸塩、酢酸塩等を用いることができる。これらの中でも、特に、酸化物又は水酸化物を用いることが好ましい。酸化物や水酸化物であれば、炭酸塩や酢酸塩等を用いる場合と異なり、焼成の過程で大量の炭酸ガスを発生することが無いので、ニッケルの割合が高く、高純度を有するリチウム複合化合物を安定的に製造することができる。 Examples of compounds that contain nickel include pure nickel (included as a compound for convenience), oxides, hydroxides, carbonates, acetates, etc. Among these, it is particularly preferable to use oxides or hydroxides. Unlike the case where carbonates or acetates are used, oxides and hydroxides do not generate large amounts of carbon dioxide gas during the firing process, so lithium composite compounds with a high proportion of nickel and high purity can be stably produced.
マンガンを含む化合物や、コバルトを含む化合物としては、例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩、酢酸塩等を用いることができる。これらの中でも、特に、酸化物、水酸化物、又は、炭酸塩を用いることが好ましい。また、M2等の他の金属元素を含む化合物としては、例えば、炭酸塩、酸化物、水酸化物、酢酸塩、硝酸塩等を用いることができる。これらの中でも、特に、炭酸塩、酸化物、又は、水酸化物を用いることが好ましい。 For example, oxides, hydroxides, carbonates, acetates, etc. can be used as compounds containing manganese or cobalt. Of these, it is particularly preferable to use oxides, hydroxides, or carbonates. Furthermore, for example, carbonates, oxides, hydroxides, acetates, nitrates, etc. can be used as compounds containing other metal elements such as M2. Of these, it is particularly preferable to use carbonates, oxides, or hydroxides.
混合工程S1では、具体的には、前記式に対応する所定の元素組成比で原料の各化合物を秤量し、各化合物を粉砕及び混合して、各化合物が混和した粉末状の混合物を調製する。各化合物は、均一に混和すると共に粒度も揃える観点から、平均粒径が1μm未満となるまで粉砕することが好ましい。化合物を粉砕する粉砕機としては、例えば、ボールミル、ジェットミル、サンドミル等の一般的な精密粉砕機を用いることができる。
原料の化合物の粉砕は、湿式粉砕とすることが好ましく、工業的な観点からは、水を分散媒とした湿式粉砕が特に好ましい。湿式粉砕して得られる固液混合物は、例えば、乾燥機を用いて乾燥させてよい。乾燥機としては、例えば、噴霧乾燥機、流動床乾燥機、エバポレータ等を使用することができる。
In the mixing step S1, specifically, each compound of the raw material is weighed out in a predetermined elemental composition ratio corresponding to the above formula, and each compound is crushed and mixed to prepare a powdery mixture in which each compound is mixed. From the viewpoint of uniformly mixing each compound and making the particle size uniform, it is preferable to crush each compound until the average particle size becomes less than 1 μm. As a crusher for crushing the compound, for example, a general precision crusher such as a ball mill, a jet mill, or a sand mill can be used.
The raw material compound is preferably ground by wet grinding, and from an industrial point of view, wet grinding using water as a dispersion medium is particularly preferred. The solid-liquid mixture obtained by wet grinding may be dried, for example, using a dryer. As the dryer, for example, a spray dryer, a fluidized bed dryer, an evaporator, etc. can be used.
焼成工程S2では、混合工程S1を経て得られた前駆体を焼成して層状構造を有するリチウム複合化合物を得る。焼成工程S2は、焼成前のリチウム複合化合物の前駆体を焼成炉として用いるロータリーキルンで転動させつつ熱処理を行う熱処理工程を少なくとも有している。ここで、焼成工程S2において使用するロータリーキルンについて説明する。 In the calcination step S2, the precursor obtained through the mixing step S1 is calcined to obtain a lithium composite compound having a layered structure. The calcination step S2 includes at least a heat treatment step in which the precursor of the lithium composite compound before calcination is heat-treated while being rolled in a rotary kiln used as a calcination furnace. Here, the rotary kiln used in the calcination step S2 will be described.
(ロータリーキルン/焼成炉)
図2は、リチウム二次電池用正極活物質の製造に使用するロータリーキルンの概略構造を示す図である。
図2に示すように、ロータリーキルン1は、炉心管10と、ヒータ20と、第1給気管30と、第2給気管40と、リフター50と、を備えている。
(Rotary kiln/firing furnace)
FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of a rotary kiln used for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
As shown in FIG. 2 , the rotary kiln 1 includes a furnace tube 10 , a heater 20 , a first air supply pipe 30 , a second air supply pipe 40 , and a lifter 50 .
炉心管10は、中空の略円柱形状を有しており、長手方向の一端側に被処理物Maの投入部、他端側に熱処理物の回収部を有している。炉心管10は、被処理物Maの投入部が回収部よりも上方に位置するように、水平面に対し傾斜して設置される。リチウム複合化合物の前駆体は、投入部に設置される不図示の粉体投入装置から炉心管10の内部に投入され、炉心管10の内部を長手方向に流動して熱処理される。炉心管10の傾斜角度は、特に限定されないが、例えば、0.5~3°の範囲である。なお、本明細書においては、炉心管10の長手方向における投入部側を「上流」、回収部側を「下流」とする。 The furnace tube 10 has a hollow, generally cylindrical shape, and has an input section for the workpiece Ma at one end in the longitudinal direction, and a recovery section for the heat-treated material at the other end. The furnace tube 10 is installed at an incline with respect to the horizontal plane so that the input section for the workpiece Ma is located above the recovery section. The precursor of the lithium composite compound is input into the furnace tube 10 from a powder input device (not shown) installed in the input section, and is heat-treated by flowing it longitudinally inside the furnace tube 10. The inclination angle of the furnace tube 10 is not particularly limited, but is, for example, in the range of 0.5 to 3°. In this specification, the input side in the longitudinal direction of the furnace tube 10 is referred to as "upstream" and the recovery side is referred to as "downstream".
炉心管10は、不図示のモータ等の動力が駆動ギヤないしローラを介して連結される。炉心管10は、このようなモータ等の駆動により、円柱形状の中心軸を回転軸として回転するようになっている。そのため、投入部から炉心管10に投入された被処理物Maは、炉心管10が回転することにより、炉心管10の内部を転動しながら流下し、回収部において不図示の粉体回収装置により回収される。炉心管10の回転速度は、特に限定されないが、例えば、0.5~3rpmの範囲である。 The furnace core tube 10 is connected to the power of a motor or the like (not shown) via a drive gear or roller. The furnace core tube 10 is rotated around the central axis of the cylindrical shape as the axis of rotation by the drive of such a motor or the like. Therefore, the workpiece Ma fed into the furnace core tube 10 from the feed section flows down while rolling inside the furnace core tube 10 as the furnace core tube 10 rotates, and is collected by a powder collection device (not shown) in the collection section. The rotation speed of the furnace core tube 10 is not particularly limited, but is, for example, in the range of 0.5 to 3 rpm.
炉心管10の母材は、クロムのような有害成分が排出されない、Ni、W、Mo、Ti等の金属、或いは、これらの金属を主成分とする合金製が好ましい。そして、炉心管において、前駆体(被処理物Ma)に接する部分である接粉部の最表層にアルミニウム酸化物が形成されており、その下地層にはアルミニウムと炉心管の母材との合金層が形成されている。
炉心管10の母材の最表層にアルミニウム酸化物が形成されていると、リチウム複合化合物の前駆体に含まれるリチウム成分と炉心管10とが反応し難くなるので、炉心管10の劣化や破損が生じる虞が低くなる。炉心管10の母材の最表層のアルミニウム酸化物は、アルミニウムで被膜した母材を空焼きし、被膜したアルミニウムを酸化させることで、容易に形成することができる。母材へアルミニウムを被膜させる方法は、例えば溶射でも良いし、例えば溶融メッキでもよい。炉心管10を製缶する前に、母材へアルミニウムを被膜すると、接合部分に母材が露出するため、製缶後に被膜することが好ましい。
The base material of the furnace core tube 10 is preferably made of a metal such as Ni, W, Mo, Ti, etc., which does not emit harmful components such as chromium, or an alloy mainly composed of these metals. In the furnace core tube, aluminum oxide is formed on the outermost surface layer of the powder contact portion, which is the portion that contacts the precursor (workpiece Ma), and an alloy layer of aluminum and the base material of the furnace core tube is formed on the underlying layer.
When aluminum oxide is formed on the outermost layer of the base material of the furnace tube 10, the lithium component contained in the precursor of the lithium composite compound is less likely to react with the furnace tube 10, so that the risk of deterioration or damage of the furnace tube 10 is reduced. The aluminum oxide on the outermost layer of the base material of the furnace tube 10 can be easily formed by baking the base material coated with aluminum in an air and oxidizing the coated aluminum. The method of coating the base material with aluminum may be, for example, thermal spraying or hot-dip plating. If the base material is coated with aluminum before the furnace tube 10 is made into a can, the base material will be exposed at the joint, so it is preferable to coat it after the can is made.
ヒータ20は、炉心管10の胴周りに設置されている。ヒータ20は、炉心管10の長手方向の一部の区間であって、図2に一点鎖線で示される加熱帯域120を覆っており、加熱帯域120を目標温度まで昇温させることができる。また、ヒータ20は、加熱帯域120よりも上流側の区間であって、図2に二点鎖線で示される所定距離の予熱帯域110を、目標温度よりも低い温度に予熱する。そのため、ヒータ20が稼働している炉心管10にリチウム複合化合物の前駆体が投入されると、前駆体は、予熱帯域110で予熱された後に加熱帯域120で目標温度まで加熱されて転動しながら熱処理される。但し、ヒータ20は、加熱帯域120について均一な熱処理を行える限り、配置位置や機数は特に限定されない。ヒータ20は、急激な熱処理が進まないように予熱帯域110が確保されていれば、一個所に集約して配置してもよいし、複数個所に分けて配置してもよい。 The heater 20 is installed around the body of the furnace tube 10. The heater 20 covers the heating zone 120, which is a part of the longitudinal section of the furnace tube 10 and is shown by a dashed line in FIG. 2, and can heat the heating zone 120 to a target temperature. The heater 20 also preheats the preheating zone 110, which is a section upstream of the heating zone 120 and is a predetermined distance away and shown by a dashed line in FIG. 2, to a temperature lower than the target temperature. Therefore, when a precursor of a lithium composite compound is charged into the furnace tube 10 in which the heater 20 is operating, the precursor is preheated in the preheating zone 110, and then heated to the target temperature in the heating zone 120 and heat-treated while rolling. However, the heater 20 is not particularly limited in its position or number as long as it can perform uniform heat treatment on the heating zone 120. The heaters 20 may be concentrated in one location or may be divided into multiple locations, as long as the preheating zone 110 is secured to prevent the heat treatment from progressing too rapidly.
第1給気管30は、炉心管10の内部に不図示のガス源から酸化性ガスを給気する第1給気系統を構成しており、被処理物Maを熱処理するときに、炉心管10の内周面側に向けて酸化性ガスを噴射する。第1給気管30は、炉心管10の内部に長手方向に沿って配置されており、炉心管10の下流側から上流側まで略全長にわたっている。第1給気管30は、炉心管10の長手方向に沿って配列され、第1給気管30から分岐し、分岐した先端で開口している複数の噴射口32を有している。噴射口32のそれぞれは、不図示のガス源から圧送される酸化性ガスを、炉心管10の内側に向かってシャワー状に噴射することができる。すなわち、第1給気系統により、転動しつつ熱処理されている前駆体に酸化性ガスが吹き付けられることで、前駆体に酸素が直接的に供給され、酸化反応が効率的に促進されるようになっている。また、前駆体から発生した炭酸ガスが酸化性ガスによって舞い上げられて、前駆体の近傍から迅速に排除されるようになっている。つまり、前駆体から発生して炉心管10内を滞留している炭酸ガスが前駆体と再反応し、炭酸リチウムが再び生成してリチウム複合化合物の生成を阻害するのが防止される。噴射口32の開口方向は、鉛直下方側(炉心管の径方向)でも良いし、第1給気管30の円周方向でも良いが、円周方向に噴射することで炉内の気流が旋回流となり、前駆体への酸素供給と、滞留している炭酸ガスの排出が効率的に行えるので、噴射口32の開口方向を第1給気管30の円周方向とすることが好ましい。 The first air supply pipe 30 constitutes a first air supply system that supplies oxidizing gas from a gas source (not shown) to the inside of the core tube 10, and injects the oxidizing gas toward the inner surface of the core tube 10 when heat-treating the workpiece Ma. The first air supply pipe 30 is arranged along the longitudinal direction inside the core tube 10, and extends over approximately the entire length of the core tube 10 from the downstream side to the upstream side. The first air supply pipe 30 is arranged along the longitudinal direction of the core tube 10, branches off from the first air supply pipe 30, and has a plurality of injection ports 32 that open at the branched ends. Each of the injection ports 32 can inject the oxidizing gas, which is pressure-fed from a gas source (not shown), in a shower-like manner toward the inside of the core tube 10. That is, the first air supply system blows the oxidizing gas onto the precursor being heat-treated while rolling, thereby directly supplying oxygen to the precursor and efficiently promoting the oxidation reaction. In addition, the carbon dioxide gas generated from the precursor is blown up by the oxidizing gas and quickly removed from the vicinity of the precursor. In other words, the carbon dioxide gas generated from the precursor and stagnating in the furnace core tube 10 is prevented from reacting again with the precursor to generate lithium carbonate again and inhibit the generation of the lithium composite compound. The opening direction of the injection port 32 may be vertically downward (in the radial direction of the furnace core tube) or in the circumferential direction of the first air supply pipe 30, but it is preferable to open the injection port 32 in the circumferential direction of the first air supply pipe 30 because the air flow in the furnace becomes a swirling flow by injecting in the circumferential direction, which allows oxygen to be supplied to the precursor and stagnant carbon dioxide gas to be efficiently discharged.
第1給気管30は、酸素の給気と炭酸ガスの排気とを効率的に行うと共に、被処理物の粉末の飛散を防止する観点から、酸化性ガスの吹き付け量や吹き付け角度や酸素濃度が調節可能に設けられることが好ましい。例えば、吹き付け量は、第1給気系統のガス流量を調整したり、噴射口32を開閉自在に設け、噴射口32の開口数を調整したりすることにより調節することができる。また、吹き付け角度は、第1給気管30を中心軸を回転軸として回動自在に設けることにより調節することができる。例えば、炉心管10の回転方向に対して順方向又は逆方向に0°を超え45°以下程度の角度にして噴射させてよい。また、吹き付け角度は、第1給気管30を炉心管10の内部で水平方向等に移動させることにより調節することができる。例えば、第1給気管30を炉心管10の中心軸から偏心した位置に静止させて噴射させてもよい。また、酸素濃度については、炉心管10の入口若しくは出口付近、或いは任意の場所に酸素濃度検知手段を設け、検知した酸素濃度が規定値になるように酸素量を監視制御することにより調節することができる。そして、これらの吹き付け量、吹き付け角度、酸素濃度を適宜組み合わせて調節することもできる。なお、酸素濃度検知手段に代えて、或いは併用して二酸化炭素濃度検知手段を設け、検知した二酸化炭素濃度が規定値になるように酸素量を監視制御することにより調節することもできる。 The first air supply pipe 30 is preferably provided so that the amount of oxidizing gas sprayed, the spray angle, and the oxygen concentration can be adjusted in order to efficiently supply oxygen and exhaust carbon dioxide, and to prevent the powder of the workpiece from scattering. For example, the amount of sprayed can be adjusted by adjusting the gas flow rate of the first air supply system, by providing the nozzle 32 so that it can be opened and closed, and by adjusting the number of openings of the nozzle 32. The spray angle can be adjusted by providing the first air supply pipe 30 so that it can rotate around the central axis as the rotation axis. For example, the gas may be sprayed at an angle of more than 0° and less than 45° in the forward or reverse direction relative to the rotation direction of the furnace core tube 10. The spray angle can be adjusted by moving the first air supply pipe 30 horizontally or the like inside the furnace core tube 10. For example, the first air supply pipe 30 may be sprayed while stationary at a position eccentric to the central axis of the furnace core tube 10. The oxygen concentration can be adjusted by providing an oxygen concentration detection means near the inlet or outlet of the furnace tube 10, or at any other location, and monitoring and controlling the amount of oxygen so that the detected oxygen concentration is a specified value. The blowing amount, blowing angle, and oxygen concentration can also be adjusted in an appropriate combination. Note that a carbon dioxide concentration detection means can be provided instead of or in combination with the oxygen concentration detection means, and the amount of oxygen can be monitored and controlled so that the detected carbon dioxide concentration is a specified value.
第1給気管30は炉心管10の内部で脚34により保持されている。脚34と炉心管10との接触部の円周側近傍に丸棒などを介在させ、脚34と炉心管10とを固着しないで周方向で拘束することもできる。これにより、炉心管10の駆動力を第1給気管30に伝達することができ、第1給気管と炉心管10とを同期して回転することができる。この丸棒などは脚34の炉心管の軸方向を拘束せず、円周方向のみを拘束し、なおかつ、脚34と炉心管10を接合しないことで、第1給気管30を炉心管10から容易に取り外すことが可能となり、炉心管10の内部の清掃やメンテナンス時の作業性を向上させ、ひいては生産性を向上させることができる。 The first air supply pipe 30 is held by legs 34 inside the core tube 10. A round bar or the like can be interposed near the circumferential side of the contact area between the legs 34 and the core tube 10 to restrain the legs 34 and the core tube 10 in the circumferential direction without fastening them together. This allows the driving force of the core tube 10 to be transmitted to the first air supply pipe 30, and the first air supply pipe and the core tube 10 can rotate synchronously. This round bar or the like does not restrain the legs 34 in the axial direction of the core tube, but only in the circumferential direction, and by not joining the legs 34 to the core tube 10, the first air supply pipe 30 can be easily removed from the core tube 10, improving the workability during cleaning and maintenance of the inside of the core tube 10, and ultimately improving productivity.
第2給気管40は、炉心管10の内部に不図示のガス源から酸化性ガスを給気する第2給気系統を構成しており、被処理物Maを熱処理するときに、炉心管10の内部に炉心管10の軸方向に向けて酸化性ガスの気流を発生させる。酸化性ガスは、炉心管10の上流側から下流側に向けて流しても良いが、炉心管10の下流側から上流側に向けて流すことが好ましい。第2給気管40は、炉心管10の内部の加熱帯域120よりも下流側に配置されており、炉心管10の上流側に向かって開口している。また、第2給気管40は、軸方向から見て、第1給気管よりも径方向外側に位置しており、第1給気管30よりも径方向外側の空間に開口している。第2給気管40は、第1給気管30の径方向外側に略水平方向に酸化性ガスを流し、酸化性ガスは、加熱帯域120や予熱帯域110を通過した後に、炉心管10の上流側に設けられた不図示の排気口から外部に排気される。すなわち、第2給気系統により、炉心管10の内部に酸化性ガスの気流が形成されることで、熱処理によって前駆体から発生した炭酸ガスが酸化性ガスと共に気流に乗って排気されるようになっている。第2給気系統による酸化性ガスの気流が、前駆体が流下する方向に対向する流れであると、炭酸ガスの濃度が炉心管10の下流側ほど低くなるため、下流側で熱処理を終える被処理物Maの炭素混入量を確実に低減させることができる。なお、第2給気管40による酸化性ガスの給気量や給気方向等も適宜調節することができる。 The second air supply pipe 40 constitutes a second air supply system that supplies oxidizing gas from a gas source (not shown) to the inside of the core tube 10, and generates an oxidizing gas flow in the axial direction of the core tube 10 when heat-treating the workpiece Ma. The oxidizing gas may flow from the upstream side to the downstream side of the core tube 10, but it is preferable to flow it from the downstream side to the upstream side of the core tube 10. The second air supply pipe 40 is located downstream of the heating zone 120 inside the core tube 10 and opens toward the upstream side of the core tube 10. In addition, the second air supply pipe 40 is located radially outward from the first air supply pipe when viewed from the axial direction, and opens into a space radially outward from the first air supply pipe 30. The second air supply pipe 40 flows the oxidizing gas in a substantially horizontal direction radially outside the first air supply pipe 30, and the oxidizing gas is exhausted to the outside from an exhaust port (not shown) provided on the upstream side of the furnace tube 10 after passing through the heating zone 120 and the preheating zone 110. That is, the second air supply system forms an air flow of the oxidizing gas inside the furnace tube 10, so that the carbon dioxide gas generated from the precursor by the heat treatment is exhausted along with the air flow together with the oxidizing gas. If the air flow of the oxidizing gas by the second air supply system flows in the opposite direction to the direction in which the precursor flows downward, the concentration of the carbon dioxide gas becomes lower toward the downstream side of the furnace tube 10, so that the amount of carbon mixed in the workpiece Ma that finishes the heat treatment downstream can be reliably reduced. The amount and direction of the oxidizing gas supplied by the second air supply pipe 40 can also be appropriately adjusted.
第1給気系統や第2給気系統が給気する酸化性ガスとしては、酸素元素との反応を促進するガスであって酸素ガス、酸素濃縮空気等が用いられる。第1給気系統や第2給気系統が給気する酸化性ガスは、酸素濃度が90%以上であることが好ましく、酸素濃度が95%以上であることがより好ましく、酸素濃度が100%であることが好ましい。 The oxidizing gas supplied by the first and second air supply systems is a gas that promotes a reaction with oxygen element, and oxygen gas, oxygen-enriched air, etc. are used. The oxidizing gas supplied by the first and second air supply systems preferably has an oxygen concentration of 90% or more, more preferably an oxygen concentration of 95% or more, and preferably an oxygen concentration of 100%.
リフター50は、炉心管10の内周面に設けられている。リフター50は、炉心管10の内周面の周方向の一部から内側に向けて突出しており、炉心管10の回転に伴って被処理物Maをかき上げて攪拌する。すなわち、リフター50によって攪拌されることにより、前駆体の粉末中の表面粉と底部粉とが入れ替わりながら流動し、酸素との接触確率やその均一性が高められると共に、前駆体から発生した炭酸ガスが粉末中の粒子間隙から効率的に排除される。そのため、第1給気系統や第2給気系統が給気する酸化性ガスの下でリフター50が前駆体を攪拌することにより、酸素の給気と炭酸ガスの排気とが効果的に進み、リチウム複合化合物を生成する固相反応が大きく促進される。 The lifter 50 is provided on the inner circumferential surface of the furnace core tube 10. The lifter 50 protrudes inward from a portion of the circumferential direction of the inner circumferential surface of the furnace core tube 10, and stirs the workpiece Ma as the furnace core tube 10 rotates. That is, the stirring by the lifter 50 causes the surface powder and the bottom powder in the precursor powder to flow while being interchanged, increasing the probability of contact with oxygen and its uniformity, and efficiently removing carbon dioxide gas generated from the precursor from the gaps between particles in the powder. Therefore, by the lifter 50 stirring the precursor under the oxidizing gas supplied by the first and second air supply systems, the supply of oxygen and the exhaust of carbon dioxide gas progress effectively, and the solid-phase reaction that produces a lithium complex compound is greatly promoted.
リフター50は、適宜の形状及び個数で設けることができる。リフター50は、例えば、炉心管10の長手方向に延びる羽根状、突条状、パイプ状、角柱状等に設け、炉心管10の周方向に対しては適宜の間隔で複数配設してよい。リフター50は、炉心管10の長手方向について、隙間無く連続していてもよいし、隙間を空けて断続していてもよい。 The lifters 50 may be provided in any suitable shape and number. For example, the lifters 50 may be provided in the shape of a blade, a ridge, a pipe, a rectangular column, or the like extending in the longitudinal direction of the core tube 10, and multiple lifters 50 may be arranged at suitable intervals around the circumference of the core tube 10. The lifters 50 may be continuous with no gaps in the longitudinal direction of the core tube 10, or may be discontinuous with gaps.
リフター50は、炉心管10の内部の全長にわたって設けられてもよいが、炉心管10の内周面のうち、熱処理においてヒータ20により目標熱処理温度で直接的に加熱される帯域(加熱帯域120)のみに備えられ、加熱帯域120よりも上流側や下流側には備えられないことが好ましい。加熱帯域120よりも上流側の予熱帯域110等では、炭酸ガスの発生が著しく、このような領域で前駆体の粉末を攪拌すると、前駆体と炭酸ガスとが反応して炭酸リチウムが生成し、リチウム複合化合物の形成反応が妨げられる虞がある。これに対して、リフター50を加熱帯域120のみに備えても、固相反応を十分に促進させることが可能である一方で、加熱帯域120よりも上流側や下流側に備えないことにより、必要以上に攪拌された前駆体の微粉が酸化性ガスの気流と共に排出されて回収率が低下する事態を抑制することができる。 The lifter 50 may be provided over the entire length of the inside of the furnace tube 10, but it is preferable that the lifter 50 is provided only in the zone (heating zone 120) of the inner circumferential surface of the furnace tube 10 that is directly heated to the target heat treatment temperature by the heater 20 during heat treatment, and not provided upstream or downstream of the heating zone 120. In the preheating zone 110 and the like upstream of the heating zone 120, carbon dioxide gas is generated significantly, and if the precursor powder is stirred in such a zone, the precursor and carbon dioxide gas react to generate lithium carbonate, which may hinder the formation reaction of the lithium composite compound. On the other hand, even if the lifter 50 is provided only in the heating zone 120, it is possible to sufficiently promote the solid-phase reaction, while by not providing the lifter 50 upstream or downstream of the heating zone 120, it is possible to prevent a situation in which the precursor fine powder that is stirred more than necessary is discharged together with the oxidizing gas flow, resulting in a decrease in the recovery rate.
ロータリーキルン1は、炉心管10内の雰囲気ガスを排気するための排気口を、炉心管10の上流側の側面に有することが好ましい。排気口が、炉心管10の上面側では無く、側面に設けられていると、比重が高い炭酸ガスを、酸化性ガスの気流に乗せて確実に炉心管10から排出させることができる。排気口を設ける位置は、より具体的には、炉心管10の内部の上流側の内側面であることが好ましく、内側面のうち炉心管10の回転軸よりも高さが低い下半部に位置することがより好ましい。 The rotary kiln 1 preferably has an exhaust port on the upstream side of the core tube 10 for exhausting the atmospheric gas inside the core tube 10. If the exhaust port is provided on the side of the core tube 10 rather than on the top side, carbon dioxide gas, which has a high specific gravity, can be carried along with the oxidizing gas flow and reliably discharged from the core tube 10. More specifically, the location of the exhaust port is preferably on the inner surface on the upstream side inside the core tube 10, and more preferably in the lower half of the inner surface that is lower than the rotation axis of the core tube 10.
以上のロータリーキルン1によると、酸素の給気、炭酸ガスの排気及び前駆体の給粉が連続的に実施されるため、前駆体の熱処理を短時間で行うことができる。特に、酸素の給気は、閉鎖空間を形成している炉心管10に対して行われるため、開放空間で熱処理を行う搬送炉等と比較して、低コストで行うことができる。また、第1給気系統は、前駆体に直接的に酸化性ガスを吹き付けるため、高濃度の酸素を前駆体に供給することができるし、前駆体から発生した炭酸ガスを舞い上げて、流動している前駆体から確実に分離排除することができる。また、第2給気系統は、炉心管10の内部で上方に舞い上げられた炭酸ガスを速やかに炉外に排気するため、熱処理された前駆体が炭酸ガスに接触するのを防止することができる。すなわち、第1給気系統のみでは、前駆体から発生した炭酸ガスが炉心管10から排出されずに滞留し、第2給気系統のみでは、前駆体の粉末中の粒子間隙に滞留している炭酸ガスが排除され難い。第1給気系統と第2給気系統とを併用すると、酸素の給気と炭酸ガスの排気の循環が効率的に継続され、結晶の欠陥や不純物が少ない熱処理物を得ることができる。 According to the rotary kiln 1 described above, the supply of oxygen, the exhaust of carbon dioxide, and the powdering of the precursor are continuously performed, so that the heat treatment of the precursor can be performed in a short time. In particular, the supply of oxygen is performed to the core tube 10 forming a closed space, so that the heat treatment can be performed at a low cost compared to a conveying furnace or the like in which heat treatment is performed in an open space. In addition, the first air supply system directly blows an oxidizing gas onto the precursor, so that a high concentration of oxygen can be supplied to the precursor, and the carbon dioxide gas generated from the precursor can be lifted up and reliably separated and removed from the flowing precursor. In addition, the second air supply system quickly exhausts the carbon dioxide gas lifted up inside the core tube 10 to the outside of the furnace, so that the heat-treated precursor can be prevented from coming into contact with the carbon dioxide gas. In other words, with only the first air supply system, the carbon dioxide gas generated from the precursor remains without being discharged from the core tube 10, and with only the second air supply system, the carbon dioxide gas remaining in the gaps between particles in the precursor powder is difficult to remove. By using the first and second air supply systems together, the supply of oxygen and the exhaust of carbon dioxide are efficiently and continuously circulated, resulting in a heat-treated product with fewer crystal defects and impurities.
(焼成工程)
次に、焼成工程S2の詳細について説明する。
(Firing process)
Next, the firing step S2 will be described in detail.
焼成工程S2は、図1に示すように、第1前駆体を形成する第1熱処理工程S21と、第2前駆体を形成する第2熱処理工程S22と、仕上げの熱処理である第3熱処理工程S23と、を有することが好ましい。図2に示す構成のロータリーキルン1は、これらの熱処理工程のうち、いずれの熱処理工程において使用してもよいが、第2熱処理工程S22及び第3熱処理工程S23のうちの少なくとも一方において使用することが好ましく、第2熱処理工程S22において使用することがより好ましい。 As shown in FIG. 1, the firing process S2 preferably includes a first heat treatment process S21 for forming a first precursor, a second heat treatment process S22 for forming a second precursor, and a third heat treatment process S23 for finishing heat treatment. The rotary kiln 1 shown in FIG. 2 may be used in any of these heat treatment processes, but is preferably used in at least one of the second heat treatment process S22 and the third heat treatment process S23, and more preferably used in the second heat treatment process S22.
[第1熱処理工程S21]
第1熱処理工程S21では、混合工程S1で得られた混合物を200℃以上かつ40℃以下の熱処理温度で、0.5時間以上かつ5時間以下にわたって熱処理することで第1前駆体を得る。第1熱処理工程S21は、混合工程S1で得られた混合物から、正極活物質の合成反応を妨げる水分等のような気化性が高い成分を除去することを主な目的として行われる。この工程では、炭酸リチウム等の原料の熱分解や不純物の燃焼等に伴って発生した炭酸ガス等が、水分と共に混合物から排除される。
[First heat treatment step S21]
In the first heat treatment step S21, the mixture obtained in the mixing step S1 is heat-treated at a heat treatment temperature of 200° C. or more and 40° C. or less for 0.5 hours or more and 5 hours or less to obtain a first precursor. The first heat treatment step S21 is performed mainly for the purpose of removing highly volatile components such as moisture that hinder the synthesis reaction of the positive electrode active material from the mixture obtained in the mixing step S1. In this step, carbon dioxide gas and the like generated by the thermal decomposition of raw materials such as lithium carbonate and the combustion of impurities are removed from the mixture together with moisture.
第1熱処理工程S21は、適宜の熱処理装置を用いて実施することができる。具体的には、例えば、ローラーハースキルン、トンネル炉、プッシャー炉、ロータリーキルン、バッチ炉等を用いることができる。なお、第2熱処理工程S22、第3熱処理工程S23においてロータリーキルン1を用いない場合は、上記ローラーハースキルン、トンネル炉等を用いることができる。 The first heat treatment step S21 can be carried out using an appropriate heat treatment device. Specifically, for example, a roller hearth kiln, a tunnel furnace, a pusher furnace, a rotary kiln, a batch furnace, etc. can be used. Note that if the rotary kiln 1 is not used in the second heat treatment step S22 and the third heat treatment step S23, the above-mentioned roller hearth kiln, tunnel furnace, etc. can be used.
[第2熱処理工程]
第2熱処理工程S22では、第1熱処理工程S21で得た第1前駆体を450℃以上かつ900℃以下の熱処理温度で、0.1時間以上かつ50時間以下にわたって熱処理することで第2前駆体を得る。第2熱処理工程S22は、第1前駆体中のニッケルを2価から3価へと酸化し、層状構造を有するリチウム複合化合物を結晶化させることを主な目的として行われる。すなわち、この工程は、炭酸リチウム(Li2CO3)と、M´の酸化物(M´O)とを反応物として、第1前駆体中のニッケルの酸化反応を伴って層状構造の形成を行う熱処理工程である。第2熱処理工程S22において、熱処理温度が450℃未満であると、固相反応の反応速度が遅くなって炭酸リチウムが過剰に残留し、第3熱処理工程S23において炭酸ガスの発生量が増大する虞がある。一方、熱処理温度が900℃を超えると、この工程でリチウム複合化合物の粒成長が過剰に進行し、高容量の正極活物質が得られなくなる虞が高い。これに対して、前記の熱処理温度であれば、固相反応が全体で進んでいながら、粗大な結晶粒が少ない第2前駆体を得ることができる。なお、第2熱処理工程S22で進行する炭酸リチウムの反応は、次の式(3)で表される。
[Second heat treatment step]
In the second heat treatment step S22, the first precursor obtained in the first heat treatment step S21 is heat-treated at a heat treatment temperature of 450° C. or more and 900° C. or less for 0.1 hours or more and 50 hours or less to obtain a second precursor. The second heat treatment step S22 is performed mainly for the purpose of oxidizing nickel in the first precursor from divalent to trivalent and crystallizing a lithium composite compound having a layered structure. That is, this step is a heat treatment step in which a layered structure is formed by oxidation reaction of nickel in the first precursor using lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and an oxide of M'(M'O) as reactants. In the second heat treatment step S22, if the heat treatment temperature is less than 450° C., the reaction rate of the solid-phase reaction is slowed down, and lithium carbonate remains in excess, which may increase the amount of carbon dioxide gas generated in the third heat treatment step S23. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 900° C., the grain growth of the lithium composite compound may proceed excessively in this step, and it may be difficult to obtain a high-capacity positive electrode active material. In contrast, if the heat treatment temperature is set as described above, a second precursor having few coarse crystal grains can be obtained while the solid-phase reaction proceeds overall. The reaction of lithium carbonate that proceeds in the second heat treatment step S22 is represented by the following formula (3).
Li2CO3+2M´O+0.5O2→2LiM´O2+CO2・・・(3) Li2CO3 + 2M'O + 0.5O2 → 2LiM'O2 + CO2 ...(3)
第2熱処理工程S22における熱処理温度は、600℃以上とすることがより好ましい。600℃以上であれば、前記式(3)の反応効率がより向上する。700℃以上であれば、反応効率がさらに向上し、さらに好ましい。また、第2熱処理工程S22における熱処理温度は、800℃以下とすることがより好ましい。800℃以下であれば、結晶粒がより粗大化し難くなる。 It is more preferable that the heat treatment temperature in the second heat treatment step S22 is 600°C or higher. If it is 600°C or higher, the reaction efficiency of the above formula (3) is further improved. If it is 700°C or higher, the reaction efficiency is further improved, and this is even more preferable. In addition, it is more preferable that the heat treatment temperature in the second heat treatment step S22 is 800°C or lower. If it is 800°C or lower, the crystal grains are less likely to become coarse.
第2熱処理工程S22における熱処理時間は、0.1時間以上かつ5時間以下とすることがより好ましい。熱処理時間を5時間以下とすると、正極活物質の製造に要する時間が短縮され、生産性を向上させることができる。 It is more preferable that the heat treatment time in the second heat treatment step S22 is 0.1 hours or more and 5 hours or less. If the heat treatment time is 5 hours or less, the time required to manufacture the positive electrode active material is shortened, and productivity can be improved.
ニッケルの割合が70原子%を超える正極活物質に高容量を発現させるためには、特に、ニッケルの価数を2価から3価へ十分に酸化させることが肝要である。2価のニッケルは、層状構造を有するLiM´O2において容易にリチウムサイトに置換してしまい、正極活物質の容量を低下させる原因となるからである。そのため、第2熱処理工程S22では、第1前駆体を酸素が十分に給気される酸化性雰囲気下で熱処理し、ニッケルの価数を確実に2価から3価へ変化させることが好ましい。また、前記式(3)で発生する炭酸ガスは、式(3)の反応の進行を阻害し、正極活物質の容量を低下させる原因となる。そのため、第2熱処理工程S22では、炭酸ガスが滞留し難い気流下で熱処理することが好ましい。 In order to develop a high capacity in a positive electrode active material having a nickel ratio of more than 70 atomic %, it is particularly important to sufficiently oxidize the valence of nickel from divalent to trivalent. This is because divalent nickel is easily substituted for lithium sites in LiM'O2 having a layered structure, which causes a decrease in the capacity of the positive electrode active material. Therefore, in the second heat treatment step S22, it is preferable to heat treat the first precursor in an oxidizing atmosphere in which oxygen is sufficiently supplied, and to reliably change the valence of nickel from divalent to trivalent. In addition, the carbon dioxide gas generated in the above formula (3) inhibits the progress of the reaction of formula (3) and causes a decrease in the capacity of the positive electrode active material. Therefore, in the second heat treatment step S22, it is preferable to perform heat treatment under an air flow in which carbon dioxide gas is unlikely to stagnate.
第2熱処理工程S22は、具体的には、酸素濃度が90%以上の酸化性雰囲気とすることが好ましく、酸素濃度が95%以上の酸化性雰囲気とすることがより好ましく、酸素濃度が100%の酸化性雰囲気とすることがさらに好ましい。また、第2熱処理工程S2は、酸化性ガスによる気流下で行うことが好ましい。酸素濃度が高い酸化性ガスの気流下で熱処理を行うと、ニッケルを確実に酸化させることができるし、前記式(3)で発生する炭酸ガスを確実に排除することができる。 Specifically, the second heat treatment step S22 is preferably performed in an oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of 90% or more, more preferably an oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of 95% or more, and even more preferably an oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of 100%. In addition, the second heat treatment step S2 is preferably performed under an oxidizing gas flow. When the heat treatment is performed under an oxidizing gas flow with a high oxygen concentration, nickel can be reliably oxidized and the carbon dioxide gas generated in the above formula (3) can be reliably eliminated.
第2熱処理工程S22は、第1前駆体を転動させつつ熱処理を行うことが好ましい。第1前駆体を転動させながら熱処理することで、粉末状の第1前駆体と酸素との接触確率を高くすることができ、ニッケル等を十分に酸化させることができる。また、粉末状の第1前駆体が転動することにより、発生した炭酸ガスが粒子間隙に滞留し難くなり、炭酸ガスを効率的に排除して、固相反応を促進させることができる。 In the second heat treatment step S22, it is preferable to perform the heat treatment while rolling the first precursor. By performing the heat treatment while rolling the first precursor, the probability of contact between the powdered first precursor and oxygen can be increased, and nickel and the like can be sufficiently oxidized. In addition, by rolling the powdered first precursor, the generated carbon dioxide gas is less likely to remain in the gaps between the particles, and the carbon dioxide gas can be efficiently removed to promote the solid-phase reaction.
第2熱処理工程S22は、図2に示す構成のロータリーキルン1を用いて実施する場合、酸化性雰囲気に調整した炉心管10に第1前駆体を投入し、第1給気系統、第2給気系統及びヒータ20を作動させて、炉心管10を所定の回転速度で回転させながら行う。すなわち、酸素濃度90%以上の酸素雰囲気に調整したロータリーキルン1の炉心管10内で上流側から下流側に向けて転動しつつ流下する第1前駆体に第1給気系統により酸化性ガスを吹き付けると共に、第1前駆体から発生する炭酸ガスを第2給気系統による酸化性ガスの気流で排気しながら、所定の熱処理温度及び熱処理時間で熱処理を行う。第1前駆体から発生する炭酸ガスは、炉心管10内の上流側の側面に設けた排気口を通じて炉心管10の軸方向から排出することが好ましい。また、第1給気系統による酸化性ガスの吹き付け量、吹き付け角度及び酸素濃度のうちの少なくとも一つを、第1前駆体の投入量、熱処理温度、雰囲気の酸素濃度、炉心管10の回転速度等に応じて調節して熱処理を行うことが好ましい。但し、第2熱処理工程S22は、上述の通り第1前駆体から発生する大量の炭酸ガスが反応の阻害要因となることを抑制することを主な目的としている。出来るだけこの第2熱処理工程S22で炭酸ガスを出し切り、炉心管10内からも効率的に排出しておくことが、一連の工程を進める上で好ましい。このようなことから、第2熱処理工程S22は、炭酸ガスの排出を行う第2給気系統の重要性が高い工程である。よって、第2熱処理工程S22では、少なくとも第2給気管40による酸化性ガスの給気量、吹き出しの圧力等を調節することが好ましく、これら第2給気系統の調節と第1給気系統の調節の両方を行うことがより好ましい。 When the second heat treatment step S22 is performed using a rotary kiln 1 having the configuration shown in FIG. 2, the first precursor is charged into the core tube 10 adjusted to an oxidizing atmosphere, and the first and second air supply systems and heater 20 are operated to rotate the core tube 10 at a predetermined rotation speed. That is, the first precursor that rolls and flows down from the upstream side to the downstream side in the core tube 10 of the rotary kiln 1 adjusted to an oxygen atmosphere with an oxygen concentration of 90% or more is sprayed with oxidizing gas by the first air supply system, and carbon dioxide gas generated from the first precursor is exhausted by the air flow of oxidizing gas by the second air supply system, while heat treatment is performed at a predetermined heat treatment temperature and heat treatment time. It is preferable that the carbon dioxide gas generated from the first precursor is exhausted from the axial direction of the core tube 10 through an exhaust port provided on the side of the upstream side in the core tube 10. In addition, it is preferable to perform heat treatment by adjusting at least one of the amount of oxidizing gas blown by the first gas supply system, the blowing angle, and the oxygen concentration according to the input amount of the first precursor, the heat treatment temperature, the oxygen concentration of the atmosphere, the rotation speed of the furnace tube 10, etc. However, the main purpose of the second heat treatment process S22 is to prevent the large amount of carbon dioxide gas generated from the first precursor from becoming a reaction inhibitor, as described above. It is preferable to exhaust as much carbon dioxide gas as possible in this second heat treatment process S22 and efficiently exhaust it from the inside of the furnace tube 10 in order to proceed with a series of processes. For this reason, the second heat treatment process S22 is a process in which the second gas supply system, which exhausts carbon dioxide gas, is very important. Therefore, in the second heat treatment process S22, it is preferable to adjust at least the amount of oxidizing gas blown by the second gas supply pipe 40, the blowing pressure, etc., and it is more preferable to adjust both the second gas supply system and the first gas supply system.
[第3熱処理工程]
第3熱処理工程S23では、第2熱処理工程S22で得た第2前駆体を700℃以上かつ900℃以下の熱処理温度で熱処理することで層状構造を有するリチウム複合化合物を得る。第3熱処理工程S23は、第2前駆体中のニッケルを2価から3価へと十分に酸化させると共に、層状構造を有するリチウム複合化合物の結晶粒を成長させることを主な目的として行われる。すなわち、この工程は、第2前駆体中のニッケルの酸化反応とリチウム複合化合物の結晶粒の粒成長を行う熱処理工程である。
[Third heat treatment step]
In the third heat treatment step S23, the second precursor obtained in the second heat treatment step S22 is heat-treated at a heat treatment temperature of 700° C. or more and 900° C. or less to obtain a lithium composite compound having a layered structure. The third heat treatment step S23 is mainly performed for the purpose of sufficiently oxidizing nickel in the second precursor from divalent to trivalent and growing crystal grains of the lithium composite compound having a layered structure. That is, this step is a heat treatment step in which an oxidation reaction of nickel in the second precursor and grain growth of crystal grains of the lithium composite compound are performed.
第3熱処理工程S23は、第2前駆体を静置させて熱処理を行ってもよいし、転動させつつ熱処理を行ってもよい。第2前駆体を転動させながら熱処理することで、粉末状の第2前駆体と酸素との接触確率を高くすることができ、ニッケル等を十分に酸化させることができる。また、粉末状の第2前駆体が転動することにより、リチウム複合化合物がより均一に焼成される利点がある。 In the third heat treatment step S23, the second precursor may be left stationary for heat treatment, or may be rolled while being heat treated. By performing heat treatment while rolling the second precursor, the probability of contact between the powdered second precursor and oxygen can be increased, and nickel, etc. can be sufficiently oxidized. In addition, rolling the powdered second precursor has the advantage of more uniformly sintering the lithium composite compound.
第3熱処理工程S23は、第2熱処理工程S22の終了後に、第2熱処理工程S22で使用した雰囲気ガスを完全に排気し、新たな雰囲気ガスを導入して行うことが好ましい。また、第2熱処理工程S22及び第3熱処理工程S23の両方を、図2に示す構成のロータリーキルン1を用いて実施する場合、単一機のロータリーキルン1を用いて第2熱処理工程S22を行った後、同一のロータリーキルン1を用いて第3熱処理工程S23を行ってもよいし、複数機のロータリーキルン1を用いて第2熱処理工程S22及び第3熱処理工程S23のそれぞれを順に行ってもよいし、単一機のロータリーキルン1において第2熱処理工程S22及び第3熱処理工程S23を一時に連続的に行ってもよい。 It is preferable to carry out the third heat treatment step S23 after the second heat treatment step S22 is completed, by completely exhausting the atmospheric gas used in the second heat treatment step S22 and introducing a new atmospheric gas. In addition, when both the second heat treatment step S22 and the third heat treatment step S23 are carried out using a rotary kiln 1 having the configuration shown in FIG. 2, the second heat treatment step S22 may be carried out using a single rotary kiln 1, and then the third heat treatment step S23 may be carried out using the same rotary kiln 1, or the second heat treatment step S22 and the third heat treatment step S23 may be carried out sequentially using multiple rotary kilns 1, or the second heat treatment step S22 and the third heat treatment step S23 may be carried out continuously at one time in a single rotary kiln 1.
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
正極活物質の出発原料として、炭酸リチウム、水酸化ニッケル、炭酸コバルト、炭酸マンガンを用意した。これら出発原料を、原子比でLi:Ni:Co:Mnが、1.04:0.80:0.15:0.05となるように秤量し、混合工程S1を実施した。具体的には、出発原料の総重量が20mass%となるようにイオン交換水を加えて混合し、ビーズミルにて粉砕混合を実施した。得られた固液混合物は、スプレードライヤを用いて乾燥し、原料混合粉を得た。
Example 1
As starting materials for the positive electrode active material, lithium carbonate, nickel hydroxide, cobalt carbonate, and manganese carbonate were prepared. These starting materials were weighed so that the atomic ratio of Li:Ni:Co:Mn was 1.04:0.80:0.15:0.05, and a mixing step S1 was carried out. Specifically, ion-exchanged water was added and mixed so that the total weight of the starting materials was 20 mass%, and pulverization and mixing were carried out using a bead mill. The obtained solid-liquid mixture was dried using a spray dryer to obtain a raw material mixed powder.
次に、得られた原料混合粉をアルミナ製の焼成容器に充填し、ローラーハースキルンにより大気雰囲気下において360℃で1時間の熱処理(第1熱処理工程S21)を行って第1前駆体を得た。この熱処理により、原料混合粉が吸湿した水分の除去だけでなく、水酸化ニッケルの熱分解と、各炭酸塩の部分的な熱分解とがなされ、ある程度の炭酸ガス(CO2)が除去された。 Next, the obtained raw material mixed powder was filled into an alumina firing container and heat-treated in a roller hearth kiln in an air atmosphere at 360° C. for 1 hour (first heat treatment step S21) to obtain a first precursor. This heat treatment not only removed the moisture absorbed by the raw material mixed powder, but also thermally decomposed the nickel hydroxide and partially decomposed each carbonate, thereby removing a certain amount of carbon dioxide gas (CO 2 ).
次に、得られた第1前駆体を図2に示すロータリーキルン1に投入し、回転している炉心管10内で、第1給気管30と第2給気管40による給気を行いながら、650℃で0.9時間の熱処理を行った後に、700℃で3.5時間の熱処理を行った。即ち、第2熱処理工程S22を行い、第2前駆体を得た。この時、ロータリーキルン1では炉心管10の、管全長L1=3500mm、管内径D1=214mm、容積V1=0.126m3、第1給気管30の管全長L2=3500mm、管外径D2=120mm、容積V2=0.04m3、V2/V1=0.32(32%)、D2/D1=0.56とした。また炉心管10の内層(内殻)は金属ニッケル材製、外層(外殻)はステンレス材製とし、第1給気管30の内層をステンレス材製、外層を金属ニッケル材製とした。そして、炉心管10の内層と第1給気管30の外層に純アルミニウムを溶射した後に、アルゴンガス中で空焼きした後、酸素を導入して表面酸化させることで、被熱処理部Maの接粉部の最表層にアルミニウム酸化物を形成し、その下地層にはアルミニウムと母材であるニッケルとの合金層を形成させた。 Next, the obtained first precursor was put into the rotary kiln 1 shown in Fig. 2, and in the rotating furnace core tube 10, while air was being supplied through the first air supply pipe 30 and the second air supply pipe 40, heat treatment was performed at 650 ° C for 0.9 hours, and then heat treatment was performed at 700 ° C for 3.5 hours. That is, the second heat treatment step S22 was performed to obtain the second precursor. At this time, in the rotary kiln 1, the furnace core tube 10 had a total tube length L1 = 3500 mm, a tube inner diameter D1 = 214 mm, and a volume V1 = 0.126 m 3 , the first air supply pipe 30 had a total tube length L2 = 3500 mm, a tube outer diameter D2 = 120 mm, and a volume V2 = 0.04 m 3 , V2/V1 = 0.32 (32%), and D2/D1 = 0.56. The inner layer (inner shell) of the furnace core tube 10 was made of metallic nickel material, the outer layer (outer shell) was made of stainless steel material, the inner layer of the first air supply pipe 30 was made of stainless steel material, and the outer layer was made of metallic nickel material. Then, pure aluminum was sprayed onto the inner layer of the furnace core tube 10 and the outer layer of the first air supply pipe 30, and then the resultant was air-baked in argon gas, and oxygen was then introduced to oxidize the surface, thereby forming an aluminum oxide on the outermost layer of the powder-contacting portion of the heat-treated portion Ma, and forming an alloy layer of aluminum and the base material nickel on the underlying layer.
次に、この第2前駆体を、図3に示すロータリーキルン1Bに投入して840℃で0.7時間の熱処理(第3熱処理工程S23)を行って、Li1.0Ni0.80Co0.15Mn0.05O2の組成を有するリチウム複合化合物(正極活物質)を得た。この時、ロータリーキルン1Bではアルミナ製の炉心管10Bを用いた。そして、得られた正極活物質中に残留している未反応の炭酸リチウム量及び水酸化リチウム量と、正極活物質の比表面積とを測定した。測定結果を表1に示す。 Next, this second precursor was put into the rotary kiln 1B shown in FIG. 3 and heat-treated at 840° C. for 0.7 hours (third heat treatment step S23) to obtain a lithium composite compound (positive electrode active material) having a composition of Li 1.0 Ni 0.8 0Co 0.15 Mn 0.05 O 2. At this time, an alumina furnace tube 10B was used in the rotary kiln 1B. Then, the amount of unreacted lithium carbonate and lithium hydroxide remaining in the obtained positive electrode active material and the specific surface area of the positive electrode active material were measured. The measurement results are shown in Table 1.
続いて、得られた正極活物質を正極材料として、以下の手順でリチウム二次電池を作製した。はじめに、正極活物質と、結着剤と、導電材とを混合し、正極合剤スラリーを調製した。そして、調製した正極合剤スラリーを、正極集電体である厚さ20μmのアルミ箔に塗布し、120℃で乾燥させた後、電極密度が2.0g/cm3となるようにプレスで圧縮成形し、これを直径15mmの円盤状に打ち抜いて正極を作製した。また、負極材料として金属リチウムを用いて負極を作製した。そして、作製した正極及び負極と、非水電解液とを用いて、リチウム二次電池を作製した。非水電解液としては、体積比が3:7となるようにエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを混合した溶媒に、濃度が1.0mol/LとなるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。 Next, a lithium secondary battery was prepared by the following procedure using the obtained positive electrode active material as a positive electrode material. First, the positive electrode active material, the binder, and the conductive material were mixed to prepare a positive electrode mixture slurry. The prepared positive electrode mixture slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, which is a positive electrode current collector, and dried at 120 ° C., and then compression molded by a press so that the electrode density was 2.0 g / cm 3 , and this was punched into a disk shape with a diameter of 15 mm to prepare a positive electrode. In addition, a negative electrode was prepared using metallic lithium as a negative electrode material. Then, a lithium secondary battery was prepared using the prepared positive electrode and negative electrode and a nonaqueous electrolyte. As the nonaqueous electrolyte, a solution in which LiPF6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate were mixed so that the volume ratio was 3:7, and the concentration was 1.0 mol / L was used.
次に、作製したリチウム二次電池について、以下の手順で初回の放電容量を測定した。はじめに、充電電流を0.2CAとして、充電終止電圧4.3Vまで定電流、定電圧で充電した。その後、放電電流を0.2CAとして、放電終止電圧2.5Vまで定電流で放電し、そのときの放電電流量から放電容量を求めた。その結果を表1に示す。 Next, the initial discharge capacity of the lithium secondary battery was measured using the following procedure. First, the battery was charged at a constant current and voltage of 0.2 CA until the end-of-charge voltage reached 4.3 V. Then, the battery was discharged at a constant current of 0.2 CA until the end-of-charge voltage reached 2.5 V, and the discharge capacity was calculated from the discharge current at that time. The results are shown in Table 1.
[炉心管重量の減少率の測定]
同様の要領で得られた第1前駆体を用いて、実施例1に示した第2熱処理工程S22の焼成を行った後、炉心管の重量を測定した。昇温と降温を含む工程を1サイクルとして繰り返し、各サイクル終了後の炉心管の重量を測定した。すなわち、サイクル終了後の炉心管の重量を使用前の炉心管の重量で除算した値を重量の減少率(減肉量)として耐久性の評価を行った。サイクル300回後と500回後の結果を表1に示す。
[Measurement of core tube weight loss rate]
The first precursor obtained in the same manner was used to perform the firing in the second heat treatment step S22 shown in Example 1, and then the weight of the furnace tube was measured. A process including temperature increase and decrease was repeated as one cycle, and the weight of the furnace tube was measured after each cycle. That is, the weight of the furnace tube after the cycle was divided by the weight of the furnace tube before use to obtain the weight reduction rate (amount of thinning), and durability was evaluated. The results after 300 cycles and 500 cycles are shown in Table 1.
(比較例1)
同様の要領で得られた第1前駆体を図2に示すロータリーキルン1に投入し、650℃で3.5時間の熱処理、即ち、第2熱処理工程S22を行い、第2前駆体を得た。
次に、この第2前駆体を、ロータリーキルン1Bに投入して840℃で0.7時間の熱処理(第3熱処理工程S23)を行って、Li1.0Ni0.80Co0.15Mn0.05O2の組成を有するリチウム複合化合物(正極活物質)を得た。そして、得られた正極活物質中に残留している未反応の炭酸リチウム量及び水酸化リチウム量と、正極活物質の比表面積とを測定した。さらに、リチウム二次電池を作成し、放電容量を求めた。それら結果を表1に示す。
実施例1と比較例1の違いは、第2熱処理工程S22の温度と時間の違いである。
Comparative Example 1
The first precursor obtained in the same manner was charged into the rotary kiln 1 shown in FIG. 2 and subjected to a heat treatment at 650° C. for 3.5 hours, i.e., a second heat treatment step S22, to obtain a second precursor.
Next, this second precursor was put into a rotary kiln 1B and subjected to heat treatment (third heat treatment step S23) at 840 ° C for 0.7 hours to obtain a lithium composite compound (positive electrode active material) having a composition of Li 1.0 Ni 0.80 Co 0.15 Mn 0.05 O 2. Then, the amount of unreacted lithium carbonate and lithium hydroxide remaining in the obtained positive electrode active material and the specific surface area of the positive electrode active material were measured. Furthermore, a lithium secondary battery was prepared and the discharge capacity was obtained. The results are shown in Table 1.
The difference between Example 1 and Comparative Example 1 is the temperature and time of the second heat treatment step S22.
(比較例2)
同様に得られた第1前駆体を図2に示すロータリーキルン1’に投入し、650℃で0.9時間の熱処理を行った後に、700℃で3.5時間の熱処理を行った。この時、ロータリーキルン1’は実施例と同じ寸法であり、炉心管10の内層は金属ニッケル材製、外層はステンレス材製とし、第1給気管30の内層をステンレス材製、外層を金属ニッケル材製とし、被熱処理部Maの接粉部をニッケル材で占められる構成とした。同様に、昇温と降温を含めた工程を1サイクルとして繰り返し、炉心管の重量の減少率を測定した。サイクル300回後と500回後の結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
Similarly, the first precursor obtained was put into a rotary kiln 1' shown in FIG. 2, and heat-treated at 650 ° C for 0.9 hours, and then heat-treated at 700 ° C for 3.5 hours. At this time, the rotary kiln 1' had the same dimensions as in the embodiment, the inner layer of the furnace core tube 10 was made of metallic nickel material, the outer layer was made of stainless steel material, the inner layer of the first air supply pipe 30 was made of stainless steel material, the outer layer was made of metallic nickel material, and the powder contact part of the heat treatment part Ma was occupied by nickel material. Similarly, the process including the temperature increase and the temperature decrease was repeated as one cycle, and the weight reduction rate of the furnace core tube was measured. The results after 300 cycles and 500 cycles are shown in Table 1.
実施例1と比較例1では、実施例1の第2熱処理工程S22にて、700℃以上で2時間以上保持する工程(段階)が含まれることにより、残留未反応炭酸リチウムの量が少なく固相反応が進んでいることを示している。
また、実施例1では、炉心管の接粉部をアルミ酸化物で占める構造とすることで、リチウム複合化合物の前駆体に含まれるリチウム成分と炉心管とが反応し難くなって、炉心管の減肉量を軽減でき、耐久性を向上させていることがわかる。その結果、炉心管の長寿命化により低い生産コストに寄与することができる。
In Example 1 and Comparative Example 1, the second heat treatment step S22 in Example 1 includes a step (stage) of maintaining at 700° C. or higher for 2 hours or more, which shows that the amount of residual unreacted lithium carbonate is small and the solid-phase reaction proceeds.
In addition, in Example 1, by making the powder-contacting portion of the furnace tube occupied by aluminum oxide, the lithium component contained in the precursor of the lithium composite compound is less likely to react with the furnace tube, reducing the amount of thinning of the furnace tube and improving durability. As a result, the life of the furnace tube is extended, which contributes to lower production costs.
S1 混合工程
S2 焼成工程
S21 第1熱処理工程
S22 第2熱処理工程
S23 第3熱処理工程
1、1B ロータリーキルン(焼成炉)
10、10B 炉心管
20、20B ヒータ
30、30B 第1給気管
32 噴射口
34 脚
40、40B第2給気管
50、50B リフター
110、110B 予熱帯域
120、120B 加熱帯域
Ma 被処理物
S1 Mixing process
S2 Firing process
S21 First heat treatment step
S22 Second heat treatment step
S23 Third heat treatment step
1, 1B Rotary kiln (firing furnace)
10, 10B Furnace tube
20, 20B Heater
30, 30B 1st air supply pipe
32 injection port 34 leg
40, 40B second air intake pipe
50, 50B Lifter
110, 110B Preheating zone
120, 120B Heating zone
Ma Processing object
Claims (5)
前記混合工程を経て得られた前駆体を焼成して下記(1)で表されるリチウム複合化合物を得る焼成工程と、を有し、
前記焼成工程は、前記前駆体を焼成炉の炉心管内で転動させつつ熱処理を行う熱処理工程を少なくとも有し、
前記炉心管において、接粉部の最表層に純アルミニウムを表面酸化させて得られたアルミニウム酸化物が形成されており、その下地層には前記純アルミニウムと前記炉心管の母材との合金層が形成されている
ことを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
Li1+aM1O2+α・・・(1)
(但し、当該式(1)中、M1は、Li以外の金属元素であって少なくともNiと、Mn、Co、Al、Ti、Zr、Mo、Nb、W、V、Cr、Mg、Ca、Cu、Zn、Snのいずれかを含み、M1における前記Niの割合が70原子%以上、a及びαは、―0.1≦a≦0.2、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。) A mixing step of mixing a lithium compound with a compound containing a metal element other than Li in the following formula (1);
and a calcination step of calcining the precursor obtained through the mixing step to obtain a lithium composite compound represented by the following (1),
The firing step includes at least a heat treatment step of performing a heat treatment on the precursor while rolling it in a furnace tube of a firing furnace,
a first layer of the furnace tube that is in contact with the powder and is formed of aluminum oxide obtained by surface oxidizing pure aluminum , and an underlying layer of the first layer is an alloy layer of the pure aluminum and a base material of the furnace tube.
Li 1+a M1O 2+α ...(1)
(In the formula (1), M1 is a metal element other than Li, and includes at least Ni and any one of Mn, Co, Al, Ti, Zr, Mo, Nb, W, V, Cr, Mg, Ca, Cu, Zn, and Sn , the proportion of Ni in M1 is 70 atomic % or more, and a and α are numbers that satisfy −0.1≦a≦0.2 and −0.2≦α≦0.2.)
前記第1給気管には、前記第1給気管の円周方向を開口方向とする複数の噴射口を有することを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 the firing furnace includes a first air supply pipe that injects an oxidizing gas toward an inner peripheral surface side of the furnace core tube, and a second air supply pipe that flows the oxidizing gas in an axial direction of the furnace core tube;
2. The method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the first air supply pipe has a plurality of injection ports whose opening direction is in a circumferential direction of the first air supply pipe .
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 4. The method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, further comprising the step of maintaining the material at 700° C. or higher for 2 hours or more in the heat treatment step.
前記混合工程を経て得られた前駆体を焼成して下記式(1)で表されるリチウム複合化合物を得る焼成工程と、を有し、and a calcination step of calcining the precursor obtained through the mixing step to obtain a lithium composite compound represented by the following formula (1),
前記焼成工程は、前記前駆体を焼成炉の炉心管内で転動させつつ熱処理を行う熱処理工程を少なくとも有し、The firing step includes at least a heat treatment step of performing a heat treatment on the precursor while rolling it in a furnace tube of a firing furnace,
前記焼成炉は、前記炉心管の内周面側に向けて酸化性ガスを噴射する第1給気管と、当該炉心管の軸方向に向けて酸化性ガスを流す第2給気管とを備え、the firing furnace includes a first air supply pipe that injects an oxidizing gas toward an inner peripheral surface side of the furnace core tube, and a second air supply pipe that flows the oxidizing gas in an axial direction of the furnace core tube;
前記第1給気管には、前記第1給気管の円周方向を開口方向とする複数の噴射口を有し、The first air intake pipe has a plurality of injection ports whose opening direction is in a circumferential direction of the first air intake pipe,
前記炉心管において、接粉部の最表層にアルミニウム酸化物が形成されており、その下地層にはアルミニウムと前記炉心管の母材との合金層が形成され、前記第1給気管を保持する脚が前記炉心管とは接合されていないIn the furnace core tube, an aluminum oxide is formed on the outermost layer of the powder contact portion, and an alloy layer of aluminum and the base material of the furnace core tube is formed on the underlying layer, and the legs that hold the first air supply pipe are not joined to the furnace core tube.
ことを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
LiLi 1+a1+a M1OM1O 2+α2+α ・・・(1)...(1)
(但し、当該式(1)中、M1は、Li以外の金属元素であって少なくともNiを含み、M1における前記Niの割合が70原子%以上、a及びαは、―0.1≦a≦0.2、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)(In the formula (1), M1 is a metal element other than Li and contains at least Ni, the proportion of Ni in M1 is 70 atomic % or more, and a and α are numbers that satisfy −0.1≦a≦0.2 and −0.2≦α≦0.2.)
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