焦磷酸钴锂的制造方法和焦磷酸钴锂碳复合体的制造方法

文档序号:816649 发布日期:2021-03-26 浏览:29次 >En<

阅读说明:本技术 焦磷酸钴锂的制造方法和焦磷酸钴锂碳复合体的制造方法 (Method for producing cobalt lithium pyrophosphate and method for producing cobalt lithium pyrophosphate-carbon composite ) 是由 深泽纯也 畠透 于 2019-07-24 设计创作,主要内容包括:本发明提供一种制造下述通式(1):Li-xCo-(1-)-yM-yP-2O-7(1)所示的焦磷酸钴锂的制造方法(式中,1.7≤x≤2.2,0≤y≤0.5,M表示选自Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、W、V、Bi、Te、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Ho中的1种或2种以上的金属元素。),该制造方法包括:第一工序,在水溶剂中添加有机酸和氢氧化钴,之后添加磷酸和氢氧化锂,制备水性原料浆料(1);第二工序,利用介质磨对该水性原料浆料(1)进行湿式粉碎处理,得到含有原料粉碎处理物的浆料(2);第三工序,对该含有原料粉碎处理物的浆料(2)进行喷雾干燥处理,得到反应前体;和第四工序,对该反应前体在600℃以上进行烧制。根据本发明,能够提供能够利用工业上有利的方法得到在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂的方法。(The present invention provides a process for producing a compound represented by the following general formula (1): li x Co 1- y M y P 2 O 7 (1) A method for producing lithium cobalt pyrophosphate is described (wherein x is 1.7. ltoreq. x.ltoreq.2.2, Y is 0. ltoreq. y.ltoreq.0.5, and M is selected from the group consisting of Mg, Zn, Cu, Fe, Cr, Mn, Ni, Al, B, Na, K, F, Cl, Br, I, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Y, Yb, Si, S, Mo, W, V, Bi, Te, Pb, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ga, Ge, La, Ti, Zr, Ti,ce. 1 or more than 2 metal elements of Nd, Sm, Eu, Tb, Dy and Ho. ) The manufacturing method comprises the following steps: a first step of adding an organic acid and cobalt hydroxide to a water solvent, and then adding phosphoric acid and lithium hydroxide to prepare an aqueous raw material slurry (1); a second step of subjecting the aqueous raw material slurry (1) to wet grinding by means of a media mill to obtain a slurry (2) containing a raw material grinding product; a third step of subjecting the slurry (2) containing the pulverized material to spray drying to obtain a reaction precursor; and a fourth step of firing the reaction precursor at 600 ℃ or higher. According to the present invention, it is possible to provide a method capable of obtaining lithium cobalt pyrophosphate which is a single phase in X-ray diffraction by an industrially advantageous method.)

焦磷酸钴锂的制造方法和焦磷酸钴锂碳复合体的制造方法

技术领域

本发明涉及作为锂二次电池、全固体电池等的正极材料有用的焦磷酸钴锂的制造方法、和焦磷酸钴锂碳复合体的制造方法。

背景技术

作为便携设备、笔记本型电脑的电池,使用锂离子电池。通常认为锂离子电池的容量、能量密度优异。并且,也期待在混合动力汽车、电动汽车中的利用。

焦磷酸钴锂(Li2CoP2O7)等焦型磷酸盐作为高容量特性和高能量密度的锂二次电池的正极活性物质(例如,参照专利文献1~2)、具有高的电位和容量的全固体电池等的正极活性物质(例如,专利文献3~4)受到关注。

作为焦磷酸钴锂的制造方法,例如,专利文献1中,提出了将锂源、钴源、磷源利用球磨机混合,将得到的颗粒混合物进一步粒料化,将该粒料化的混合物烧制的方法;并且,专利文献3中,提出了将锂源、钴源、磷源混合,将得到的混合物在大气气氛中进行预烧制,之后将经过预烧制得到的预烧制品以高于预烧制的温度在大气气氛中以650~680℃烧制20~30小时的方法。

并且,焦磷酸钴锂作为安全的正极活性物质受到关注,从而希望通过工业上有利的方法提供。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特表2006-523930号公报

专利文献2:日本特开2016-38996号公报

专利文献3:日本特开2017-182949号公报

专利文献4:日本特开2017-228453号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而,如专利文献1和专利文献2那样,将各原料以干式混合的方法中,难以得到在X射线衍射分析中为单相的焦磷酸钴锂。

因此,本发明的目的在于,提供一种能够通过工业上有利的方法得到在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂的方法。另外,本发明的目的还在于,提供一种能够得到该焦磷酸钴锂与碳的复合体的方法。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的发明人鉴于上述实际情况反复进行深入研究,结果发现:在至少使用氢氧化钴、磷酸和氢氧化锂作为原料,且以湿式制备原料混合物的方法中,在有机酸的存在下,考虑原料的添加顺序而制备原料混合物时,各原料能够均匀地分散,能够得到操作容易的水性原料浆料;并且,该水性原料浆料能够利用介质磨进行湿式粉碎处理;而且,将该水性原料浆料进行湿式粉碎处理而得到含有粉碎处理物的浆料后,对该含有粉碎处理物的浆料进行喷雾干燥处理而得的反应前体的反应性优异;另外,通过将该反应前体在特定温度以上进行烧制,能够得到在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂,以至完成了本发明。

即,本发明(1)提供一种焦磷酸钴锂的制造方法,其为下述通式(1)所示的焦磷酸钴锂的制造方法,

LixCo1-yMyP2O7 (1)

(式中,1.7≤x≤2.2,0≤y≤0.5,M表示选自Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、W、V、Bi、Te、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Ho中的1种或2种以上的金属元素。),

该制造方法的特征在于,包括:

第一工序,在水溶剂中添加有机酸和氢氧化钴,之后添加磷酸和氢氧化锂,制备水性原料浆料(1);

第二工序,将水性原料浆料(1)通过介质磨进行湿式粉碎处理,得到含有原料粉碎处理物的浆料(2);

第三工序,对该含有原料粉碎处理物的浆料(2)进行喷雾干燥处理,得到反应前体;和

第四工序,将该反应前体在600℃以上进行烧制。

另外,本发明(2)提供如(1)的焦磷酸钴锂的制造方法,其特征在于:在上述第一工序的水性原料浆料(1)或上述第二工序的含有原料粉碎处理物的浆料(2)中,还含有M源(M表示选自Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、W、V、Bi、Te、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Ho中的1种或2种以上的金属元素。)。

另外,本发明(3)提供如(1)或(2)中任一项所述的焦磷酸钴锂的制造方法,其特征在于:上述含有原料粉碎处理物的浆料(2)中的固体成分的平均粒径为1.5μm以下。

另外,本发明(4)提供如(1)~(3)中任一项所述的焦磷酸钴锂的制造方法,其特征在于:上述有机酸为羧酸。

另外,本发明(5)提供如(1)~(3)中任一项所述的焦磷酸钴锂的制造方法,其特征在于:上述有机酸为草酸。

另外,本发明(6)提供如(1)~(5)中任一项所述的焦磷酸钴锂的制造方法,其特征在于:上述反应前体含有钴的有机酸盐和锂的磷酸盐。

另外,本发明(7)提供如(1)~(6)中任一项所述的焦磷酸钴锂的制造方法,其特征在于,还包括:对进行上述第四工序而得到的焦磷酸钴锂进行加热处理的第五(A)工序。

另外,本发明(8)提供如(7)所述的焦磷酸钴锂的制造方法,其特征在于:上述第五(A)工序中的加热处理温度为200~700℃。

另外,本发明(9)提供一种焦磷酸钴锂碳复合体的制造方法,其特征在于,包括:第五(B)工序,其将进行本发明(1)~(6)中任一项所述的焦磷酸钴锂的制造方法而得到的焦磷酸钴锂、与通过加热分解而析出碳的导电性碳材料源混合,得到该焦磷酸钴锂与该导电性碳材料源的混合物,之后对该混合物进行加热处理,将该导电性碳材料源加热分解,由此得到焦磷酸钴锂碳复合体。

发明的效果

根据本发明,能够提供能够利用工业上有利的方法得到在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂的方法。并且,根据本发明,能够提供该焦磷酸钴锂和碳的复合体。

附图说明

图1是实施例1的第三工序中得到的反应前体的X射线衍射图。

图2是实施例1中得到的焦磷酸钴锂的X射线衍射图。

图3是比较例1中得到的烧制品的X射线衍射图。

图4是比较例2中得到的固体成分的X射线衍射图。

图5是实施例1中得到的焦磷酸钴锂的SEM照片。

图6是实施例4中得到的焦磷酸钴锂的X射线衍射图。

具体实施方式

本发明的焦磷酸钴锂的制造方法为下述通式(1)所示的焦磷酸钴锂的制造方法,

LixCo1-yMyP2O7 (1)

(式中,1.7≤x≤2.2,0≤y≤0.5,M表示选自Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、W、V、Bi、Te、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Ho中的1种或2种以上的金属元素。)

该制造方法的特征在于,包括:

第一工序,在水溶剂中添加有机酸和氢氧化钴,之后添加磷酸和氢氧化锂,制备水性原料浆料(1);

第二工序,利用介质磨对该水性原料浆料(1)进行湿式粉碎处理,得到含有原料粉碎处理物的浆料(2);

第三工序,对该含有原料粉碎处理物的浆料(2)进行喷雾干燥处理,得到反应前体;和

第四工序,对该反应前体在600℃以上进行烧制。

由本发明的焦磷酸钴锂的制造方法得到的焦磷酸钴锂是下述通式(1)所示的焦磷酸钴锂,

LixCo1-yMyP2O7 (1)

(式中,1.7≤x≤2.2,0≤y≤0.5,M表示选自Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、W、V、Bi、Te、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Ho中的1种或2种以上的金属元素。)。

通式(1)的式中的x为1.7以上2.2以下,优选为1.8以上2.1以下。y为0以上0.5以下,优选为0以上0.4以下。M是为了提高电池特性而根据需要含有的金属元素。M表示选自Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、W、V、Bi、Te、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Ho中的1种或2种以上的金属元素,优选为选自Fe、Ni和Mn中的1种或2种以上。

本发明的焦磷酸钴锂的制造方法的第一工序是在水溶剂中添加有机酸和氢氧化钴,之后添加磷酸和氢氧化锂来制备水性原料浆料(1)的工序。

在水溶剂中添加氢氧化钴、磷酸和氢氧化锂时,浆料成为饼(cake)状,搅拌等也无法进行。本发明的发明人发现:在水溶剂中添加有机酸、氢氧化钴,之后添加磷酸和氢氧化锂时,各原料均匀分散,能够得到容易操作的水性原料浆料(1);并且,该水性原料浆料(1)能够利用介质磨进行湿式粉碎处理。

第一工序中,首先,通过向水溶剂添加有机酸和氢氧化钴,氢氧化钴与有机酸发生反应,形成钴的有机酸盐。之后,通过向含有该钴的有机酸盐的水性浆料(A)添加磷酸和氢氧化锂,进而使磷酸与氢氧化锂反应,形成锂的磷酸盐。因此,进行第一工序而得到的水性原料浆料(1)至少含有钴的有机酸盐和锂的磷酸盐。

第一工序的有机酸例如可以列举:甲酸、乙酸、乙醇酸、乳酸、葡萄糖酸等单羧酸;草酸、马来酸、丙二酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸等二羧酸;羧基的个数为3的柠檬酸等羧酸。这些之中,作为有机酸,从与氢氧化钴的反应性优异的观点考虑,优选草酸。

有机酸的添加量为有机酸中的碳原子相对于氢氧化钴中的钴原子的摩尔比(C/Co)达到1.5以上的量。有机酸中的碳原子相对于氢氧化钴中的钴原子的摩尔比(C/Co)小于上述范围时,生成Co3(PO4)2·8H2O,有浆料成为饼状而无法搅拌的倾向。另外,从浆料的粘度稳定的观点考虑,有机酸的添加量优选为有机酸中的碳原子相对于氢氧化钴中的钴原子的摩尔比(C/Co)达到1.5~2.5的量,特别优选为达到1.7~2.3的量。

相对于水溶剂100质量份,氢氧化钴对水溶剂的添加量为5~30质量份,优选为7~25质量份。通过氢氧化钴对水溶剂的添加量处于上述范围,浆料的粘度变得稳定。

在水溶剂中添加有机酸和氢氧化钴后,为了使有机酸与氢氧化钴反应,优选在15~90℃、更优选在20~80℃搅拌30分钟以上、更优选搅拌30分钟~2小时。并且,通过使有机酸与氢氧化钴反应,能够得到至少含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)。

在制备含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)时,有机酸和氢氧化钴的添加顺序没有特别限制,从浆料的粘度稳定的观点考虑,优选在水溶剂中添加有机酸,之后添加氢氧化钴。

第一工序中,接着,在含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)中添加磷酸和氢氧化锂。

磷酸对含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)的添加量是磷酸中的磷原子相对于水性浆料(A)中的钴原子的摩尔比(P/Co)优选达到1.7~2.2、特别优选达到1.8~2.1的量。通过磷酸中的磷原子相对于水性浆料(A)中的钴原子的摩尔比(P/Co)处于上述范围,容易得到在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂。

氢氧化锂对含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)的添加量为氢氧化锂中的锂原子相对于磷酸中的磷原子的摩尔比(Li/P)优选达到0.8~1.2、特别优选达到0.9~1.1的量。通过氢氧化锂中的锂原子相对于磷酸中的磷原子的摩尔比(Li/P)处于上述范围,容易得到在X射线衍射中呈单相的焦磷酸钴锂。

第一工序中,向含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)添加磷酸和氢氧化锂时,磷酸与氢氧化锂发生反应,生成锂的磷酸盐。第一工序中的水性原料浆料(1)优选含有锂的磷酸盐。在第一工序中,为了使磷酸与氢氧化锂发生反应,优选在15~90℃、更优选在20~80℃搅拌30分钟以上、更优选搅拌30分钟~2小时。

由含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)制备水性原料浆料(1)时,磷酸和氢氧化锂向含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)的添加顺序没有特别限制,但从能够将浆料的pH保持在酸性区域从而使浆料粘度稳定的观点考虑,优选向含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)添加磷酸,之后添加氢氧化锂。

如上所述,在第一工序中能够得到水性原料浆料(1),但在本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中,根据需要,可以在第一工序中,使水性原料浆料(1)中还含有M源(M表示选自Mg、Zn、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni、Al、B、Na、K、F、Cl、Br、I、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Y、Yb、Si、S、Mo、W、V、Bi、Te、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ga、Ge、La、Ce、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy和Ho中的1种或2种以上的金属元素。)。

作为M源,例如可以列举含有M元素的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、有机酸盐、硝酸盐、磷酸盐。

M源的添加量为M源中的M原子相对于氢氧化钴中的钴原子与M源中的M原子的合计摩尔比的摩尔比(M/(M+Co))优选达到0~0.5的量。另外,第一工序中,在向水溶剂进一步添加M源的情况下,关于磷酸对含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)的添加量,从能够得到X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂的方面考虑,以磷酸中的磷原子相对于水性浆料(1)中的钴原子与M源中的M原子的总摩尔的摩尔比(P/(Co+M))计,优选为1.8~2.2,更优选为1.9~2.1。

第一工序中的M源的添加时机没有特别限制,可以在进行第二工序之前的任意时机添加M源,使其包含在水性原料浆料(1)中。

本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中,在第一工序中,先在水溶剂中添加有机酸和氢氧化钴,之后添加磷酸和氢氧化锂,由此,各原料均匀分散,能够得到容易操作、并且能够利用介质磨进行湿式粉碎处理的水性原料浆料(1)。

本发明的焦磷酸钴锂的制造方法的第二工序是利用介质磨对进行第一工序而得到的水性原料浆料(1)进行湿式粉碎处理,得到含有粉碎处理物的浆料(2)的工序。

在第二工序中,利用介质磨进行湿式粉碎时的水性原料浆料(1)中的固体成分浓度为5~40质量%,特别优选为10~35质量%。通过利用介质磨进行湿式粉碎时的水性原料浆料(1)中的固体成分浓度处于上述范围,操作性良好,并且能够高效地进行粉碎处理。因此,进行第一工序之后,优选根据需要调节水性原料浆料(1)的固体成分浓度以达到上述的固体成分浓度,之后在第二工序中进行湿式粉碎处理。

另外,在第二工序中,利用介质磨对水性原料浆料(1)进行湿式粉碎处理。在第二工序中,通过利用介质磨对水性原料浆料(1)进行湿式粉碎处理,能够将水性原料浆料(1)所含有的固体成分微细地粉碎,因而能够得到具有优异的反应性的反应前体。

作为介质磨,可以列举珠磨机、球磨机、油漆搅拌器(paint shaker)、磨碎机(attritor)、砂磨机等,优选珠磨机。使用珠磨机的情况下,运行条件、珠子的种类和大小可以根据装置的尺寸和处理量而适当选择。

从更高效地利用介质磨进行处理的观点考虑,可以在含有钴的有机酸盐的水性浆料(A)或水性原料浆料(1)中加入分散剂。分散剂可以根据浆料的种类、特性而适当选择。作为分散剂,可以列举各种表面活性剂、多羧酸铵盐等。从获得充分的分散效果的观点考虑,浆料中的分散剂的浓度优选为0.01~10质量%,特别优选为0.1~5质量%。

第二工序中,利用介质磨进行湿式粉碎处理,直至含有粉碎处理物的浆料(2)中的固体成分的平均粒径以通过激光散射·衍射法求出的D50计优选达到1.5μm以下,特别优选达到0.1~1.2μm。通过含有粉碎处理物的浆料(2)中的固体成分的平均粒径处于上述范围,容易得到具有优异的反应性的反应前体。其中,通过激光散射·衍射法求出的D50,是指通过例如使用MicrotracBEL Corp.制MT3300的激光散射·衍射法求出的粒度分布曲线中的以体积累积计为50%的粒径。

这样,通过进行第二工序,能够得到含有粉碎处理物的浆料(2)。

通过如上所述进行第二工序,能够得到含有粉碎处理品的浆料(2),但在本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中,根据需要,可以使第二工序的含有粉碎处理物的浆料中,还含有M源。其中,第二工序中的M源的种类和M源的添加量与第一工序中的M源的种类和M源的添加量同样。

第二工序中的M源的添加时机没有特别限制,可以在进行第三工序之前的任意时机添加M源,使其包含在含有粉碎处理品的浆料(2)中。

本发明的焦磷酸钴锂的制造方法的第三工序是对进行第二工序而得的含有粉碎处理物的浆料(2)进行喷雾干燥,得到反应前体的工序。

作为浆料的干燥方法,也已知喷雾干燥法以外的方法,但在本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中,基于选择喷雾干燥法较为有利的见解,采用该干燥方法。

详细而言,通过喷雾干燥法进行干燥时,能够得到均匀地含有各原料成分、且原料颗粒紧密地堆积的状态的造粒物,因此,在本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中,将该造粒物作为反应前体,并在第四工序中对反应前体进行烧制,由此能够得到在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂。

在第三工序的喷雾干燥中,利用规定方法使浆料雾化,并使由此产生的微细的液滴干燥,从而得到反应前体。浆料的雾化例如有使用旋转圆盘的方法和使用压力喷嘴的方法。在第三工序中任意方法均可使用。

在第三工序的喷雾干燥法中,雾化后的浆料的液滴的大小与其中所含的粉碎处理物的颗粒的大小之间的关系对稳定的干燥和所得到的干燥粉的性状造成影响。详细而言,粉碎处理物的原料颗粒的大小相对于液滴的大小而言过小时,液滴变得不稳定,难以顺利地进行干燥。从该观点考虑,雾化后的液滴的大小优选为1~50μm,特别优选为10μm~40μm。优选考虑该观点而决定浆料对喷雾干燥装置的供给量。

通过第三工序中的喷雾干燥得到的反应前体在第四工序中供于烧制,但所得到的焦磷酸钴锂的平均粒径等的粉体特性基本上延续反应前体的特性。因此,在第三工序中的喷雾干燥中,从控制目的焦磷酸钴锂的粒径的观点考虑,优选进行喷雾干燥使得反应前体的二次颗粒的大小以通过扫描式电子显微镜(SEM)观察求出的粒径计达到1~50μm,特别优选达到10~40μm。

在第三工序中,关于喷雾干燥装置中的干燥温度,从防止粉体的吸湿而使粉体容易回收的观点考虑,优选进行调节使得热风入口温度达到150~350℃、优选达到200~330℃,且进行调节使得热风出口温度达到80~200℃、优选达到100~170℃。

进行第三工序而得到的反应前体优选至少含有钴的有机酸盐和锂的磷酸盐。通过对反应前体进行X射线衍射分析,能够确认反应前体中的钴的有机酸盐和锂的磷酸盐。作为反应前体所含有的锂的磷酸盐,优选Li(H2PO4),另外,作为钴的有机酸盐,根据所使用的有机酸的种类而异,例如在使用草酸的情况下,可以列举钴的草酸盐(Co(C2O4)(H2O)2)。另外,只要不损害本发明的效果,也可以含有在反应过程中作为副产物生成的钴的有机酸盐。关于作为副产物生成的钴的有机酸盐,在使用草酸的情况下,例如可以列举钴的甲酸盐(Co(HCOO)2(H2O)2)等。另外,含有M源的反应前体也可以形成为与钴和M的有机酸的复盐。

通过如上所述进行第三工序,得到在第四工序中供于烧制的反应前体。

本发明的焦磷酸钴锂的制造方法的第四工序是对进行第三工序而得的反应前体进行烧制,得到在X射线中为单相的焦磷酸钴锂的工序。

第四工序中的烧制温度为600℃以上,优选为600~730℃。通过烧制温度处于上述范围,能够得到在X射线中为单相的焦磷酸钴锂。另一方面,烧制温度低于上述范围时,反应无法完成,得不到焦磷酸钴锂。

第四工序中的烧制气氛为大气气氛或不活泼气体气氛。在700℃以上的高温进行烧制的情况下,在大气气氛中进行烧制时会得到熔融状的材料,得不到粉末状的材料,因此,在700℃以上进行烧制的情况下,优选在不活泼气体气氛中进行烧制。作为不活泼气体,例如可以列举氩气、氦气、氮气等,这些之中,从廉价且工业上有利的观点出发,优选氮气。

第四工序中的烧制时间没有特别限制,为0.5小时以上,优选为2~20小时。在第四工序中进行0.5小时以上、优选2~20小时的烧制时,能够得到在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂。

第四工序中,可以根据需要对进行一次烧制而得的焦磷酸钴锂进行多次烧制。

可以根据需要对进行第四工序而得的焦磷酸钴锂进行破碎处理或粉碎处理,还可以进行分级。

另外,在本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中,可以根据需要对进行第四工序而得的焦磷酸钴锂进行下述的第五(A)工序或第五(B)工序。

第五(A)工序是对进行第四工序得的焦磷酸钴锂进一步实施加热处理而调节焦磷酸钴锂所含的碳量的工序。具体而言,在第五(A)工序中,对第四工序中得到的焦磷酸钴锂实施加热处理,进行焦磷酸钴锂中的碳的氧化处理。第五(A)工序中的加热处理优选在含氧气氛下进行。在第五(A)工序中,从高效地对碳进行氧化处理的观点考虑,气氛的氧浓度优选为5体积%以上,更优选为10~30体积%。第五(A)工序中的加热处理的温度为200~700℃,优选为250~600℃。通过第五(A)工序中的加热温度处于上述范围,能够高效地对残留的碳进行氧化处理。第五(A)工序中的加热处理的时间在本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中并非是临界性的。第五工序中的加热处理的时间越长,则焦磷酸钴锂所含的碳的含量越降低。在第五工序(A)中,优选预先适当设定合适的条件进行加热处理以达到所希望的碳的含量。

第五(B)工序是将第四工序中得到的焦磷酸钴锂、与通过加热分解而析出碳的导电性碳材料源(以下也简称为“导电性碳材料源”)混合,得到焦磷酸钴锂与导电性碳材料源的混合物,之后对该混合物进行加热处理,将导电性碳材料源加热分解,得到焦磷酸钴锂碳复合体的工序。

作为导电性碳材料源,至少使用通过在第五(B)工序中进行加热处理而发生加热分解并析出碳的材料。导电性碳材料源是对焦磷酸钴锂赋予导电性的成分,通过形成导电性的碳与焦磷酸钴锂的复合体,能够期待将焦磷酸钴锂碳复合体作为正极活性物质的锂二次电池的放电容量、循环特性的提升。

作为导电性碳材料,例如可以列举:软沥青到硬沥青的煤焦油沥青;干馏液化油等煤系重质油、常压渣油、减压渣油的直流重质油、原油、石脑油等在热分解时作为副产物生成的乙烯焦油等分解系重质油的石油系重质油;苊烯、十环烯、蒽、菲等芳香族烃;吩嗪、联苯、三联苯等多苯;聚氯乙烯;聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇等水溶性聚合物以及它们的不溶化处理品;含氮的聚丙烯腈;聚吡咯等有机高分子;含硫的聚噻吩、聚苯乙烯等有机高分子;葡萄糖、果糖、乳糖、麦芽糖、蔗糖等糖类等的天然高分子;聚苯硫醚、聚苯醚等热塑性树脂、酚醛树脂、酰亚胺树脂等热固性树脂,它们之中,从工业上能够廉价地获得、并且能够提高将最终得到的焦磷酸钴锂碳复合体作为正极活性物质的锂二次电池的放电容量和循环特性的观点考虑,优选糖类。

关于导电性碳材料源的配合比例,从提高将焦磷酸钴锂碳复合体作为正极活性物质的锂二次电池的放电容量和循环特性的观点考虑,优选以导电性碳材料源中的碳原子相对于焦磷酸钴锂达到0.1~20.0质量%、优选达到0.5~15.0质量%的方式添加导电性碳材料源。

在第五(B)工序中,可以以干式或湿式进行焦磷酸钴锂与导电性碳材料源的混合。

在第五(B)工序中,作为以干式进行混合处理的方法,从获得均匀的混合物的观点考虑,优选利用机械的方式进行。作为干式混合所使用的装置,只要能够获得均匀的混合物即可,没有特别限制,例如可以列举高速混合机、超级混合机、涡轮球形混合机、艾氏混合机(Eirich mixer)、亨舍尔混合机、诺塔混合机、螺带式掺混机、V型混合机、锥形掺混机、喷射磨、微粉碎机(cosmomizer)、油漆搅拌器、珠磨机、球磨机等。其中,在实验室规模时,利用家庭用混合机即可。

另外,在第五(B)工序中,作为以湿式进行混合处理的方法,可以列举如下方法:在水溶剂中添加焦磷酸钴锂和导电性碳材料源,以使固体成分含量达到10~80质量%,优选达到20~70质量%,利用机械的方式将其混合而制备浆料,之后,将该浆料在静置的状态下进行干燥,或者对该浆料进行喷雾干燥处理使其干燥等,从而得到焦磷酸钴锂与导电性碳材料源的混合物。

作为湿式混合所使用的装置,只要能够获得均匀的浆料即可,没有特别限制,例如可以列举利用搅棒(stirrer)、搅拌叶片的搅拌机、三辊磨、球磨机、分散磨、均质机、振动磨、砂磨机(sand grinding mill)、磨碎机和强力搅拌机等装置。湿式混合处理并不限定于上述例示的利用机械的方式的混合处理。并且,在湿式混合时,可以在浆料中添加表面活性剂进行混合处理。

接着,对如上所述制备的焦磷酸钴锂与导电性碳材料源的混合物进行加热处理。加热处理需要以导电性碳材料源发生加热分解而析出碳的温度进行,加热温度为180~900℃、优选为210~800℃。通过加热处理的加热温度处于上述范围,能够使碳均匀地覆盖在颗粒表面并抑制凝聚。加热处理的加热时间为0.2小时以上,优选为0.5~5小时。从能够抑制碳的氧化的观点考虑,优选加热处理的气氛为不活泼气体气氛。另外,在本发明的焦磷酸钴锂的制造方法中的加热处理中,从能够使碳均匀地覆盖在颗粒表面的观点考虑,优选先加热至所使用的导电性碳材料源的熔点以上而使导电性碳材料源熔融,接着以上述范围进行加热处理而使碳从导电性碳材料源析出。

如上所述,通过本发明的焦磷酸钴锂的制造方法得到的焦磷酸钴锂和焦磷酸钴锂碳复合体是在X射线衍射中为单相的焦磷酸钴锂,并且通过SEM观察求出的平均粒径优选为10μm以下,特别优选为0.05~5μm,BET比表面积优选为0.1m2/g以上,特别优选为0.5~15m2/g。

通过进行本发明的焦磷酸钴锂的制造方法得到的焦磷酸钴锂和焦磷酸钴锂碳复合体适合用作锂二次电池、全固体电池等的正极材料。

实施例

以下,利用实施例对本发明进行详细说明,但本发明并不限定于这些实施例。

(实施例1)

<第一工序>

在室温(25℃)向纯水11L中加入二水合草酸1604.5g,使用Three-one motor搅拌器搅拌30分钟,加入分散剂(多羧酸铵)228g。接着,加入氢氧化钴1200g搅拌30分钟。接着,加入85质量%磷酸2922.4g搅拌30分钟。接着,加入一水合氢氧化锂1068.8g搅拌1小时,得到水性原料浆料。

<第二工序>

接着,将该水性原料浆料一边搅拌、一边供给至加入有直径为0.5mm的氧化锆珠的介质搅拌型珠磨机中,混合3小时进行湿式粉碎。通过激光散射·衍射法求出的湿式粉碎后的浆料中的固体成分的平均粒径为0.5μm。

<第三工序>

接着,向热风入口的温度设定为220℃的喷雾干燥机中,以2.4L/h的供给速度供给浆料,得到反应前体。对所得到的反应前体进行X射线衍射分析,确认为Co(C2O4)(H2O)2,Li(H2PO4)的混合物。将反应前体的X射线衍射图示于图1。

<第四工序>

之后,将所得到的反应前体在氮气气氛中以650℃烧制4小时,得到黑色的烧制品。

对所得到的烧制品进行X射线衍射分析发现,烧制品为单相的Li1.86CoP2O7。将烧制品的X射线衍射图示于图2。

(实施例2)

除了在第四工序中以700℃在氮气气氛中烧制4小时以外,与实施例1同样进行,得到黑色的烧制品。

对所得到的烧制品进行X射线衍射分析发现,烧制品为单相的Li1.86CoP2O7。将烧制品的X射线衍射图示于图3。

(比较例1)

除了在第四工序中以550℃在大气气氛中烧制4小时以外,与实施例1同样进行,得到紫色的烧制品。

对所得到的烧制品进行X射线衍射分析发现,烧制品为Li1.86CoP2O7与LiCoPO4的混合物。

(比较例2)

在室温(25℃)向纯水1L中加入氢氧化钴1200g,使用Three-one motor搅拌器搅拌30分钟,加入分散剂(多羧酸铵)228g。接着,加入85质量%磷酸2922.4g,形成了紫色的饼状,无法搅拌。未能进行后续的工序。对所得到的固形物进行X射线衍射分析发现,为Co3(PO4)2·8H2O。将其结果示于图4。

[表1]

(实施例3)

将实施例1中得到的焦磷酸钴锂在350℃、在大气气氛中(氧浓度为20体积%)进行4小时的加热处理。

对所得到的加热处理品进行X射线衍射分析发现,为单相的Li1.86CoP2O7

(实施例4)

将实施例1中得到的焦磷酸钴锂在700℃、在大气气氛中(氧浓度为20体积%)进行4小时的加热处理。

对所得到的加热处理品进行X射线衍射分析发现,为单相的Li1.86CoP2O7

(实施例5)

在第二工序中利用介质搅拌型珠磨机将水性原料浆料粉碎后,向介质搅拌型珠磨机内的浆料中加入9水合硝酸铝218g,利用介质搅拌型珠磨机对浆料进行搅拌,得到供于第三工序的浆料,除上述以外,与实施例4同样操作,得到了Li1.86CoP2O7中以摩尔比Al/Co计含有0.04的Al的焦磷酸钴锂的加热处理品。

对所得到的加热处理品进行X射线衍射分析的结果,未观察到异相,确认到其为单相的Li1.86CoP2O7(图6)。

<各项物性的评价>

对于实施例中得到的焦磷酸钴锂测定平均粒径和BET比表面积,将其结果示于表2。并且,将实施例1中得到的焦磷酸钴锂的SEM照片示于图5。

其中,关于平均粒径的测定,利用扫描式电子显微镜以倍率1万倍进行观察,求出任意选取的50个以上的颗粒的平均值作为平均粒径。

[表2]

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