JP7594850B2 - Hopper and firing device for secondary battery positive electrode active material using same - Google Patents
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Description
本発明は、ホッパーおよびそれを用いた二次電池用正極活物質の焼成装置に関するものである。 The present invention relates to a hopper and a firing device for secondary battery positive electrode active material using the same.
近年、携帯電話やノート型パソコン等の携帯機器の普及にともない、高いエネルギー密度を有する小型かつ軽量な二次電池の開発が強く望まれている。また、xEVと呼ばれる環境対応自動車においても、ハイブリッド車(HEV)から高容量の二次電池を必要とするプラグインハイブリッド車(PHEV)や電気自動車(BEV)への移行が進んでいる。BEVは、1回の充電での走行距離がガソリン車に比べ短く、これを改善するため二次電池の高容量化が求められている。
このような要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。このリチウムイオン二次電池は、負極および正極と電解液等で構成され、負極および正極の活物質は、リチウムを脱離および挿入することの可能な材料が用いられている。
In recent years, with the widespread use of mobile devices such as mobile phones and notebook computers, there is a strong demand for the development of small, lightweight secondary batteries with high energy density. In addition, in the field of environmentally friendly automobiles known as xEVs, there is a shift from hybrid electric vehicles (HEVs) to plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) and electric vehicles (BEVs) that require high-capacity secondary batteries. BEVs have a shorter driving distance on a single charge than gasoline-powered vehicles, and there is a demand for high-capacity secondary batteries to improve this.
A lithium-ion secondary battery is one example of a secondary battery that satisfies such requirements. This lithium-ion secondary battery is composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte, etc., and the active materials for the negative electrode and the positive electrode are materials that can extract and insert lithium.
リチウムイオン二次電池は、現在、研究開発が盛んに行われているところであるが、中でも、層状またはスピネル型のリチウム金属複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池は、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。
これまで主に提案されている材料としては、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)や、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)などを挙げることができる。
これらの中でも、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)は、高容量で、かつ、高出力であり、今後の環境対応自動車の二次電池の正極活物質として求められる特性を満足するものとして注目されており、急速に需要が拡大しつつある。
Lithium ion secondary batteries are currently the subject of vigorous research and development. In particular, lithium ion secondary batteries that use layered or spinel-type lithium metal composite oxides as the positive electrode material are capable of achieving a high voltage of about 4 V, and are therefore being put into practical use as batteries with high energy density.
The main materials that have been proposed so far include lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), which is relatively easy to synthesize, lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), and lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) that uses manganese.
Among these, lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) has attracted attention due to its high capacity and high output, and is expected to meet the characteristics required for the positive electrode active material of secondary batteries in future environmentally friendly automobiles, and demand for it is rapidly expanding.
特許文献1には、一般式:LibNi1-x-yCoxMyO2(式中、Mは、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Nb、ZrおよびMoから選ばれる少なくとも1種の元素である。bは0.95≦b≦1.03、xは0<x≦0.15、yは0<y≦0.07、x+yは≦0.16を満たす数値である。)であらわされるリチウムニッケル複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質が示されている。
また、特許文献2には、一般式:LiaNi1-x-yCoxAlyO2(ただし、0.9≦a≦1.0、0.10≦x≦0.20、0.02≦y≦0.1)で表されるリチウムニッケル複合酸化物の粒子からなる非水系電解質二次電池用正極活物質が示されている。
Furthermore, Patent Document 2 discloses a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries, which is composed of particles of a lithium nickel composite oxide represented by the general formula Li a Ni 1-x-y Co x Al y O 2 (where 0.9≦a≦1.0, 0.10≦x≦0.20, and 0.02≦y≦0.1).
特許文献1および2の正極活物質を得るには、ニッケル複合酸化物粒子とリチウム化合物粒子を混合した混合粉を焼成する必要があるが、ニッケル複合酸化物粒子とリチウム化合物粒子は、粒径および比重が異なるため、粒径分離や比重分離が生じやすい。量産工程では、混合粉を大型のホッパーに貯蔵し、そこから匣鉢等の焼成容器に混合粉を供給するのが一般的である。この大型ホッパー内でも粒径分離や比重分離が発生し、ニッケル複合酸化物粒子とリチウム化合物の混合比に分ができてしまう。その結果、混合粉を一定の混合比で匣鉢などの焼成容器に供給することが難しい。
そして、ニッケル複合酸化物とリチウム化合物の混合比がずれた場合、例えば、特許文献1に記載されているように、充放電サイクル時の電池容量の大きな低下、充電時のガスの多量発生、電極作製時のスラリーのゲル化が生じてしまう。
In order to obtain the positive electrode active material of
If the mixing ratio of the nickel composite oxide and the lithium compound is deviated, as described in
これを防止するため、特許文献1では、ニッケル複合水酸化物を酸化焙焼してニッケル複合酸化物にしてリチウム化合物と混合しているが、ニッケル複合水酸化物とリチウム化合物の混合物に比べると比重分離が発生しにくくなるが、前述したとおり、ニッケル複合酸化物とリチウム化合物も比重差や粒径差が大きいため、比重分離や粒径分離を生じ、ホッパー内で混合比の分布ができてしまう。
To prevent this, in
また、特許文献2では、前駆体の形骸が破壊されない程度で十分に混合することで、混合比のばらつきが抑えられることが記載されている。試験研究や小規模生産のように、混合してすぐに、しかもほとんど流動させずに焼成容器に供給する場合は、ばらつきは小さくなるが、量産設備のように大型ホッパーを用いる場合は、ホッパー内での流動などにより、比重分離や粒径分離が生じ、ニッケル複合酸化物とリチウム化合物の混合比に分布できてしまう。その結果、焼成容器によって混合比が異なる混合粉を焼成してしまい、前述したような電池容量の低下やスラリーのゲル化を生じる正極活物質が形成されてしまうことになる。 Patent Document 2 also describes that the variation in the mixing ratio can be suppressed by mixing the precursors thoroughly without destroying their shells. When the materials are mixed and fed to the firing vessel immediately without much fluidization, as in research and small-scale production, the variation is small. However, when a large hopper is used as in mass production equipment, gravity separation and particle size separation occur due to fluidization in the hopper, resulting in a distribution in the mixing ratio of the nickel composite oxide and the lithium compound. As a result, mixed powders with different mixing ratios are fired depending on the firing vessel, resulting in the formation of a positive electrode active material that reduces the battery capacity and causes the slurry to gel, as described above.
上記のようなニッケル複合酸化物とリチウム化合物に代表される二次電池用正極活物質原料を含め、あらゆる混合粉末原料をホッパーを用いて供給する場合、混合粉末原料間で混合比のばらつく原因の一つがホッパーのコーン部に形成される固化層であることを、本発明者らは突きとめた。
従来のホッパーのコーン部での固化層の形成を防止する従来技術には、特許文献3~5がある。
特許文献3には、コーン状の剛性容器内に、同じくコーン状で軟質材製の軟性容器を設けて剛性容器と軟性容器との間に気密空隙部を形成すると共に、剛性容器に通気管を連通して、この通気管から気密空隙部に圧縮流体を供給して軟性容器を内方に自在に膨張させて閉塞状態にある粒体を崩す装置が開示されている。
また、特許文献4には、排出口近傍における内面に設けられたプレートと、プレートを振動させる振動手段とを備えた装置が開示されている。
しかし、特許文献3および4の方法では、形成された固化層を破壊するため、混合比のばらつきはある程度改善されるものの、固化層の形成を完全に防止することはできないため、十分には改善することができない。
The present inventors have found that when any mixed powder raw material, including the above-mentioned nickel composite oxide and lithium compound as a positive electrode active material raw material for secondary batteries, is supplied using a hopper, one of the causes of variation in the mixing ratio between the mixed powder raw materials is a solidified layer formed on the cone part of the hopper.
Conventional techniques for preventing the formation of a solidified layer in the cone portion of a conventional hopper include those disclosed in Patent Documents 3 to 5.
Patent Document 3 discloses an apparatus in which a cone-shaped soft container made of a soft material is placed inside a cone-shaped rigid container to form an airtight gap between the rigid container and the soft container, and an air vent pipe is connected to the rigid container to supply compressed fluid from the air vent pipe to the airtight gap to freely expand the soft container inward and break up blocked granules.
Moreover, Patent Document 4 discloses an apparatus including a plate provided on the inner surface in the vicinity of the discharge port and a vibration means for vibrating the plate.
However, in the methods of Patent Documents 3 and 4, since the formed solidified layer is destroyed, the variation in the mixing ratio is improved to some extent, but the formation of the solidified layer cannot be completely prevented, and therefore, sufficient improvement cannot be achieved.
特許文献5には、内挿コーンを貯蔵槽の底部開口の上部近傍に設け、内挿コーンに羽根を設ける方法が開示されている。この方法だと固化層が形成されることが無く、混合粉の混合比のばらつきが改善されるが、内挿コーンにより粉の流れが抑制され、粉の排出速度が遅くなってしまう。また、内挿コーンがワイヤーで吊られているため、揺れにより、ワイヤーや吊り環の摩耗粉や、内挿コーンがホッパー壁と接触して発生する粉が、混入する可能性がある。
本発明は、上記問題点に鑑み、あらゆる種類の混合粉末原料の混合比のバラツキを小さくできるホッパーを提供することを目的とする。
また、本発明は、二次電池用正極活物質の原料間の混合比のバラツキを小さくして製造できる二次電池用正極活物質の焼成装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE PRESENT EMBODIMENT In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a hopper capable of reducing the variation in the mixing ratio of all kinds of mixed powder raw materials.
Another object of the present invention is to provide an apparatus for sintering a positive electrode active material for a secondary battery, which is capable of producing the positive electrode active material for a secondary battery with reduced variation in the mixing ratio between the raw materials.
第1発明のホッパーは、物理的性状が異なるニッケル複合酸化物とリチウム化合物を含む混合粉末原料を供給するホッパーであって、円筒状のホッパー部と、該ホッパー部の下端に接続された円錐状のコーン部と、前記ホッパー部の内部であって、前記コーン部の上方に設置された内部コーンと、前記コーン部の下端に接続された排出部とからなり、前記コーン部の開き角aおよび前記内部コーンの開き角aが、前記混合粉末原料の安息角の最大値をbとしたとき、式(1)で表わされる角度であり、a≦180-2b-10・・・式(1)、前記コーン部の下端と前記内部コーンの下端との間の距離が最大落下距離であって、1000mm以内に設定されていることを特徴とする。
第2発明のホッパーは、第1発明において、前記内部コーンは、垂直方向に複数段設置されており、前記コーン部の下段と最下段の内部コーンの下端との間の上下方向離間距離および各内部コーンの下端間の上下方向離間距離が最大落下距離であって、1000mm以内に設定されていることを特徴とする。
第3発明の二次電池用正極活物質の焼成装置は、焼成すべき被焼成物が充填される複数のセッターと、前記各セッターに被焼成物を供給する供給部と、前記各セッターに供給された被焼成物を焼成する焼成炉と、前記各セッターを前記供給部から前記焼成炉に搬入し、前記焼成炉で焼成された焼成物が収容されている前記各セッターを前記焼成炉から搬出する搬送部と、前記焼成物を前記各セッターから排出する排出部と、を備える二次電池用正極活物質の焼成装置において、請求項1または2記載のホッパーが、前記供給部において被焼成物を供給する装置として用いられていることを特徴とする。
第4発明の二次電池用正極活物質の焼成装置は、第3発明において、前記排出部が、前記複数のセッターから除去された焼成物を破砕する破砕機構を備えていることを特徴とする。
第5発明の二次電池用正極活物質の焼成装置は、第4発明において、前記破砕機構が、ロールクラッシャーであり、かつ高温の焼成物と接触するロールを冷却する冷却機構を備えていることを特徴とする。
第6発明の二次電池用正極活物質の焼成装置は、第4発明において、前記供給部、前記焼成炉、前記排出部、または前記破砕機構の少なくとも一つが、作業空間の酸素濃度を80%以上に維持される機構を備えていることを特徴とする。
第7発明の二次電池用正極活物質の焼成装置は、第3~第6発明のいずれかにおいて、前記焼成物が、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、それ以外の元素(M)を含み、かつ、各元素の原子数比がLi:Ni:Co:M=s:(1-x-y):x:y(ただし、0.93<s<1.03、0.00≦x≦0.35、0.03≦y≦0.35、Mは1種類以上の遷移金属、アルカリ土類金属、卑金属、または、半金属)で表わされるリチウムニッケル複合酸化物であることを特徴とする。
The hopper of the first invention is a hopper that supplies a mixed powder raw material containing a nickel composite oxide and a lithium compound having different physical properties, and is characterized in that it comprises a cylindrical hopper section, a conical cone section connected to the lower end of the hopper section, an internal cone inside the hopper section and installed above the cone section, and a discharge section connected to the lower end of the cone section, and the opening angle a of the cone section and the opening angle a of the internal cone are angles represented by formula (1) when the maximum value of the angle of repose of the mixed powder raw material is b, a≦180-2b-10... formula (1), and the distance between the lower end of the cone section and the lower end of the internal cone is the maximum drop distance, which is set to within 1000 mm.
The hopper of the second invention is characterized in that, in the first invention, the internal cones are arranged in multiple tiers in the vertical direction, and the vertical distance between the lower tier of the cone section and the lower end of the internal cone of the lowest tier and the vertical distance between the lower ends of each internal cone are maximum fall distances, which are set to within 1000 mm.
The third invention relates to a firing apparatus for a positive electrode active material for a secondary battery, the firing apparatus comprising: a plurality of setters in which the material to be fired is filled; a supply section for supplying the material to be fired to each setter; a firing furnace for firing the material to be fired supplied to each setter; a conveying section for transporting each setter from the supply section to the firing furnace and transporting each setter containing the material fired in the firing furnace out of the firing furnace; and a discharge section for discharging the material from each setter, the firing apparatus for a positive electrode active material for a secondary battery being characterized in that the hopper described in
A fourth aspect of the present invention is an apparatus for sintering a positive electrode active material for a secondary battery according to the third aspect of the present invention, characterized in that the discharge section includes a crushing mechanism for crushing the sintered material removed from the plurality of setters.
The sintering apparatus for a positive electrode active material for a secondary battery of the fifth invention is characterized in that, in the fourth invention, the crushing mechanism is a roll crusher and is equipped with a cooling mechanism for cooling the roll that comes into contact with the high-temperature sintered material.
The sixth invention relates to an apparatus for sintering a positive electrode active material for a secondary battery, and is characterized in that, in the fourth invention, at least one of the supply unit, the sintering furnace, the discharge unit, and the crushing mechanism is provided with a mechanism for maintaining an oxygen concentration in the working space at 80% or more.
The seventh invention is an apparatus for firing a positive electrode active material for a secondary battery according to any one of the third to sixth inventions, characterized in that the fired product is a lithium-nickel composite oxide containing lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and another element (M), and the atomic ratio of the elements is expressed as Li:Ni:Co:M=s:(1-xy):x:y (where 0.93<s<1.03, 0.00≦x≦0.35, 0.03≦y≦0.35, and M is one or more of a transition metal, an alkaline earth metal, a base metal, or a semimetal).
第1発明によれば、つぎの効果を奏する。
a)コーン部および内部コーンの開き角aを、a≦180°-2b-10°とすることにより、比重や粒径などの物理的性状が異なるニッケル複合酸化物とリチウム化合物を含む混合粉末原料であっても、混合粉末原料の一部(内壁面に近い領域の原料)に滞留が生じず、落下中および落下後に生じる粒子の流動のバラツキが抑制される。
b)ホッパー部の内部コーンを設けることにより、ホッパー全体の上下寸法が大きくなっても、ホッパー内の混合粉末原料の落下距離を短くできる。そのため、落下中に比重差や粒径差等による粒子の流動のバラツキが抑制される。
c)混合粉末原料の最大落下距離を1000mm以下とすることで、落下中に比重差等や粒径差による粒子の流動のバラツキが抑制される。このため、結果として排出する混合粉末原料の混合比のバラツキを小さく抑制できる。
d)以上のように、物理的性状が異なるニッケル複合酸化物とリチウム化合物を含む混合物を適正な混合比率を保ったまま排出することができるので、ホッパーから排出された混合物を焼成して得た二次電池用正極材は全て同等の電池性能を発揮することに貢献できる。
第2発明によれば、内部コーンを複数段設けた場合であっても、ホッパー内の粉末原料の落下距離を短くできる。そのため、落下中に比重差や粒径差等による粒子の流動のバラツキが抑制される。さらに、混合粉末原料の最大落下距離を1000mm以下とすることでも落下中に比重差や粒径差等による粒子の流動のバラツキが抑制される。
第3発明によれば、供給部のセッターにはホッパーより混合粉末原料の混合比のバラツキが小さい状態で供給されるので、焼成された正極活物質の混合粉末原料の混合比もバラツキが小さいままであり、高容量の二次電池用正極活物質を容易に製造することが可能となる。
第4発明によれば、焼成により固まってしまった焼成物を粉砕することができるので、二次電池用正極活物質に用いるのに適当な粒度にすることができる。また、粉砕された焼成物を水洗工程に供したとき、より均一に焼成物を水洗することができる。
第5発明によれば、一対のロール間に焼成物を供給するだけで焼成物を粉砕することができ、ロールは冷却機構で冷却されるので、過度な高温にならず、ロールに接触する焼成物の物性を変えることがない。
第6発明によれば、供給部から焼成炉を経て排出部に至る間で焼成に適した雰囲気が維持されるので混合粉末原料を充分に反応させることができ、また、焼成後の焼成物の物性の変化を抑制できるため、所望の物性の焼成物が得られる。
第7発明によれば、リチウムイオン二次電池用の正極活物質の原料であって、適正な物性を有するリチウムニッケル複合金属酸化物の焼成物を得ることができる。
According to the first aspect of the present invention, the following effects are achieved.
a) By setting the opening angle a of the cone portion and the inner cone to a value satisfying a value less than or equal to 180°-2b-10°, even if the mixed powder raw material contains a nickel composite oxide and a lithium compound which have different physical properties such as specific gravity and particle size, retention does not occur in a part of the mixed powder raw material (raw material in the region close to the inner wall surface), and variation in the flow of particles during and after falling is suppressed.
b) By providing an internal cone in the hopper, the falling distance of the mixed powder raw material in the hopper can be shortened even if the vertical dimension of the entire hopper is large. Therefore, the variation in the flow of the particles due to differences in specific gravity and particle size during the fall can be suppressed.
c) By setting the maximum falling distance of the mixed powder raw material to 1000 mm or less, the variation in the flow of the particles due to differences in specific gravity and particle size during the fall is suppressed. As a result, the variation in the mixing ratio of the discharged mixed powder raw material can be suppressed to a small extent.
d) As described above, a mixture containing a nickel composite oxide and a lithium compound, which have different physical properties, can be discharged while maintaining an appropriate mixing ratio. This contributes to the secondary battery positive electrode materials obtained by firing the mixture discharged from the hopper all exhibiting the same battery performance.
According to the second invention, even if the inner cone is provided in multiple stages, the falling distance of the powder raw material in the hopper can be shortened. Therefore, the variation in the flow of the particles due to the difference in specific gravity, the difference in particle size, etc. during the fall is suppressed. Furthermore, by setting the maximum falling distance of the mixed powder raw material to 1000 mm or less, the variation in the flow of the particles due to the difference in specific gravity, the difference in particle size, etc. during the fall is also suppressed.
According to the third invention, the mixed powder raw materials are supplied from the hopper to the setter in the supply section with small variation in the mixing ratio, so that the mixing ratio of the mixed powder raw materials in the sintered positive electrode active material also remains small, making it possible to easily produce a high-capacity positive electrode active material for secondary batteries.
According to the fourth aspect of the present invention, the fired product that has hardened due to firing can be pulverized to a particle size suitable for use in a positive electrode active material for a secondary battery. Furthermore, when the pulverized fired product is subjected to a water washing step, the fired product can be washed more uniformly.
According to the fifth invention, the sintered material can be pulverized simply by supplying it between a pair of rolls, and since the rolls are cooled by a cooling mechanism, they do not become excessively hot and the physical properties of the sintered material that comes into contact with the rolls are not changed.
According to the sixth invention, an atmosphere suitable for sintering is maintained from the supply section through the sintering furnace to the discharge section, so that the mixed powder raw material can be reacted sufficiently, and changes in the physical properties of the sintered product after sintering can be suppressed, so that a sintered product with the desired physical properties can be obtained.
According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to obtain a fired product of a lithium-nickel composite metal oxide, which is a raw material for a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery and has appropriate physical properties.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら、下記(1)~(6)の順で説明する。ただし、本発明は以下説明する実施形態に限定されるものではない。図面においては、適宜、模式的に表現することや、縮尺を変更して表現することがある。
(1)ホッパー
(2)上記ホッパーを用いる焼成装置
(3)リチウムイオン二次電池用正極活物質の製法
(4)リチウムイオン二次電池用正極活物質
(5)リチウムイオン二次電池
(6)リチウムイオン二次電池の実施例
Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in the following order of (1) to (6) with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below. In the drawings, the embodiments may be represented diagrammatically or at a different scale as appropriate.
(1) Hopper (2) Firing device using the hopper (3) Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery (4) Positive electrode active material for lithium ion secondary battery (5) Lithium ion secondary battery (6) Example of lithium ion secondary battery
(1)ホッパー
本発明の一実施形態に係るホッパー50は複数種の粉末を混合した混合粉末原料を供給するホッパーである。
本明細書でいう複数種の粉末とは、比重や粒径、組成などの物理的性状が異なる2種以上の粉末をいい、それを混合したものを混合粉末原料という。
このような混合粉末原料の一例としてリチウム化合物とニッケルコバルト複合酸化物などの二次電池用正極活物質の焼成原料をあげることができる。このような複数種の粉末は、比重や粒径が異なることから、一定比率で混合していても、ホッパー内を流動する際に部分的にしろ混合比率が変ってくることがある。混合比が変ると混合粉末の性状が変るので、それを避け混合比率を一定に保ちたい混合粉末原料を供給するのに本発明のホッパーは好適である。
なお、複数種の粉末には2種に限られず、3種以上のものも含まれる。また、本発明は、比重等が変らない複数種の粉末の供給に適用することも可能である。
(1) Hopper The
In this specification, the term "multiple types of powders" refers to two or more types of powders having different physical properties such as specific gravity, particle size, composition, etc., and a mixture of these powders is called a mixed powder raw material.
An example of such a mixed powder raw material is a calcined raw material for a positive electrode active material for a secondary battery, such as a lithium compound and a nickel-cobalt composite oxide. Since such multiple types of powder have different specific gravities and particle sizes, even if they are mixed at a constant ratio, the mixing ratio may change partially when flowing through the hopper. If the mixing ratio changes, the properties of the mixed powder will change, so the hopper of the present invention is suitable for supplying a mixed powder raw material whose mixing ratio needs to be kept constant to avoid this.
The multiple types of powder are not limited to two types, but may include three or more types. The present invention can also be applied to supplying multiple types of powder with the same specific gravity.
(第1実施形態)
図1に示すホッパー50は、円筒状のホッパー部51と、ホッパー部51の下端に接続された円錐状のコーン部52と、コーン部52の下端に接続された排出部53とからなる。排出部53には混合粉末原料のホッパーからの排出を制御するバルブ54が介装されている。
そして、ホッパー部51には内部コーン71が取付けられている。
First Embodiment
1 is composed of a
An
内部コーン71は円錐状の部材であって、上端縁がホッパー部51の内周に固定され、下端は開口している。図示の内部コーン71は、コーン部52とほぼ同形状同寸法の部材であるが、コーン部52とは大きさや形状が変っていてもよい。
The
内部コーン71の下端とコーン部52の下端部(排出部53の上端部に連結される部分)との間の高さ寸法hは1000mm以下とされる。この高さ寸法hは特許請求の範囲にいう混合粉末原料の最大落下距離hでもある。
本発明では、ホッパー部内51に内部コーン71を設けることにより、ホッパー50全体の上下寸法が大きくなっても、ホッパー50内の混合粉末原料の落下距離を短くできる。そのため、落下中に比重差や粒径差等による粒子の流動のバラツキが抑制される。さらに、混合粉末原料の落下距離が1000mm以下とすることでも落下中に比重差や粒径差等による粒子の流動のバラツキが抑制される。
The height dimension h between the lower end of the
In the present invention, by providing the
本発明において、コーン部52の開き角aは、図1に示すように、混合粉末原料の安息角の最大値をbとしたとき、式(1)で表わされる角度とされる。
a≦180-2b-10・・・式(1)
開き角aとはコーン内で相対向する内壁面で内壁同士が交差する角度をいう。
In the present invention, the opening angle a of the
a≦180-2b-10...Formula (1)
The opening angle a is the angle at which opposing inner wall surfaces in a cone intersect with each other.
図1の実施形態において、コーン部52を構成する内壁52aの水平面に対する交差角は混合粉末原料の安息角の最大値b+αである。図示の実施形態におけるαは5°である。
この場合、対角にある内壁52間のなす角度、すなわち開き角aは、(180-2b-10)となる。
開き角aは上記の場合が最大角であって、これより小さいものも含まれる。つまりコーン部52がより鋭いテーパになったものも本発明に含まれる。
図1に示す実施形態では、内部コーン71の開き角aも上記式(1)を満足するものとされる。すなわち、内部コーン71を構成する内壁71aの水平面に対する交差角aも混合粉末原料の安息角の最大値b+αである。図示の内部コーン71におけるαは5°である。式(1)を満足していれば、コーン部52の開き角aと内部コーン71の開き角aは、必ずしも同じ角度でなくてもよい。
1, the intersection angle of the
In this case, the angle between the diagonally opposite
The opening angle a is the maximum angle in the above case, and smaller angles are also included. In other words, the present invention also includes an opening angle a in which the
In the embodiment shown in Fig. 1, the opening angle a of the
安息角とは、図11に示すように、粉末pwを一定の高さから落下させて、自発的に崩れることなく安定を保つときに、形成する粉体の山の斜面と水平面とのなす角度をいう。
この安息角cは、粒子の大きさや形状、表面状態、重さ等により決まり、流動しやすい粉末の安息角cは小さく、流動しにくい粉末の安息角cは大きくなる。また、この安息角は、粉の性状によっては、幅を持つが、本発明ではその最大値bを用いる。
The angle of repose is the angle between the horizontal plane and the slope of the powder peak that forms when the powder pw is dropped from a certain height and remains stable without spontaneously collapsing, as shown in FIG.
This angle of repose c is determined by the size, shape, surface condition, weight, etc. of the particles, and the angle of repose c of powders that flow easily is small, while the angle of repose c of powders that do not flow easily is large. In addition, this angle of repose has a range depending on the properties of the powder, but in the present invention, the maximum value b is used.
本実施形態のホッパー50では、コーン部52および内部コーン71の内壁が、そのホッパーで取り扱う混合粉末原料の安息角の最大値bより大きい角度で傾斜しているため、ホッパー50に投入した混合粉末原料pwがコーン部52および内部コーン71で安息角の最大値bを越えた角度で下方に向け流れ落ちることから、混合粉末原料pwの滞留による固化層を形成することがない。このため、混合粉末原料pwの一部(内壁面に近い領域の原料)に滞留が生じず、円滑に流れるので混合粉末原料pwの混合比の変化が生じにくくなる。このため混合比のバラツキを小さく抑制することができる。
In the
図2に示すように、フレキシブルコンテナー80等から混合粉末原料pwをホッパー50に投入したとき、混合粉末原料pwは、まず内部コーン71の内部に貯えられ、この内部コーン71の下端開口から流出する混合粉末原料pwがコーン部52の内部に貯えられ、このコーン部52の下端に集められて、排出部53から排出される。
このとき混合粉末原料pwは内部コーン71の下端とコーン部52の下端との間の落下距離hが1000mm以下に小さくされているので、落下中に比重差や粒径差による混合比のバラツキが抑制される。このため、結果として排出する混合粉末原料の混合比のバラツキを小さく抑制できる。
As shown in FIG. 2, when the mixed powder raw material pw is charged into the
At this time, the falling distance h of the mixed powder raw material pw between the lower end of the
そして、ホッパー50から排出される時点での混合比のバラツキが小さいということは、ホッパー50に投入した時点での混合比がほぼ保たれているということであるので、混合粉末原料の物理的性状を所望どおりに維持して次工程へ供給できることを意味する。
たとえば、混合粉末原料が二次電池用正極材の原料である場合、ホッパー50により供給された被焼成物を焼成装置で焼成するが、得られた焼成粉末は全て同等の電池性能を発揮することに貢献できる。
Furthermore, the fact that there is little variation in the mixing ratio when the powder is discharged from the
For example, when the mixed powder raw material is a raw material for a positive electrode material for a secondary battery, the material to be sintered supplied by the
(第2実施形態)
図3に示す第2実施形態のホッパー50は、複数段の内部コーンを設けたものである。図示の例では2段の内部コーン71A,71Bが上下直列に設けられている。なお、3段以上の内部コーンを用いたものも本発明に含まれる。
本実施形態において、上段の内部コーン71Bの下端開口部と下段の内部コーン71Aの下端開口部との間の距離hは1000mm以下である。また、下段の内部コーン71Aの下端開口部とコーン部52の下端との間の距離hも1000mm以下である。
なお、各内部コーン71A,71Bの開き角aとコーン部52の開き角aは、第1実施形態と同様の混合粉末原料の安息角の最大値bを変数とする前記式(1)の条件に基づくものである。
Second Embodiment
The
In this embodiment, the distance h between the lower end opening of the upper
The opening angle a of each
この第2実施形態では、2段の内部コーン71A,71Bを有するので、ホッパー部51の容積が大きくなり、上下寸法も大きくなっている。しかしながら、ホッパー50内での混合粉末原料の落下距離hは2ケ所とも1000mm以下となっているので、落下中の比重差や粒径差による混合比のバラツキは抑制される。
In this second embodiment, the
(第3実施形態)
図4に示す第3実施形態のホッパー50は、ホッパー部51の内部に仕切り板61と内部コーン71を設けたものである。ホッパー部51の上段部分では、仕切り板61によって、複数空間に分割されている。ホッパー部51の下段部分には、内部コーン71が設けられている。
Third Embodiment
A
仕切り板61は、ホッパー部51内での粉末の横方向移動を抑止するものなので、垂直方向に取付けられている。仕切り板61を取付ける領域は、ホッパー部51の上下方向領域の全てである必要はないが、大部分であることが好ましい。なお、仕切り板61の下端は、内部コーン部71の上端付近まで延びてもよい。
The
仕切り板61によるホッパー部51の分割数は4~8とするのが好ましい。ホッパー部51内の分割数が4~8であると、粉末の降下空間を充分に確保しつつ横方向での不規則な移動も効果的に抑制できるので、ホッパー50内を落下する間での複数種の粉末の混合比が均一に保たれる。これに対し、分割数が3以下であると粉末の横方向の不規則な移動を抑制する効果が小さくなり、分割数が9以上であると粉末と仕切り板61との摩擦による流動抵抗が大きくなるので、いずれも好ましくない。
The number of divisions into the
図4に示す本実施形態のホッパー50では、仕切り板61によって投入された混合粉末原料の横方向外側や周方向への流動が抑制される。またそれにより、混合粉末原料が舞い上ることもない。
このため、投入された混合粉末原料が直下方に流れていき、ホッパー50への投入前の混合比を保ってホッパー50内で流下するので、混合粉末原料の混合比の変化が生じにくく結果として混合比を均一に保つことができる。
In the
As a result, the mixed powder raw material that is added flows straight down and within the
さらに、内部コーン71およびコーン部52の内壁の傾斜角aが供給する混合粉末原料の安息角の最大値bより大きいので、混合粉末原料の全量が混合比のコーン部52の内壁上を滑り落ちる。このため、コーン部52内壁面に混合粉末原料の固化層ができなくなり、混合粉末原料の一部(内壁面に近い領域の原料)に滞留が生じず、円滑に流れるので混合粉末原料の混合比の変化が生じにくくなる。このためさらに、混合比のバラツキを小さく抑制することができる。
Furthermore, since the inclination angle a of the
第3実施形態のホッパー50では、(A)ホッパー部51を仕切り板61で仕切り、かつ(B)内部コーン71およびコーン部52の開き角aを混合粉末原料の安息角の最大値bに基づいた前記式(1)を満足するものとするとし、さらに(C)ホッパー50内の粉末の落下距離hを1000mm以下としているので、これら要件(A),(B),(C)の相乗効果が働くので、ホッパー50の上下寸法を大きくしても混合比のバラツキを抑制する効果が大きくなる。
In the third embodiment of the
上記のように、ホッパー50から排出される時点での混合比のバラツキが小さいということは、ホッパー50に投入した時点での混合比がほぼ保たれているということであるので、混合粉末原料の物理的性状を所望どおりに維持して次工程へ供給できることを意味する。
たとえば、混合粉末原料が二次電池用正極材の原料である場合、ホッパー50により供給された被焼成物を焼成装置で焼成するが、得られた焼成粉末は全て同等の電池性能を発揮することに貢献できる。
As described above, the fact that there is little variation in the mixing ratio when the powder is discharged from the
For example, when the mixed powder raw material is a raw material for a positive electrode material for a secondary battery, the material to be sintered supplied by the
(2)焼成装置
図5および図6に基づき本発明の一実施形態に係る焼成装置1を説明する。
この焼成装置1は被焼成物(混合粉末原料は、焼成装置で焼成される段階では被焼成物と表記される)の供給に図1のホッパー50を供給部10の構成部品として用いた焼成装置である。
図5および図6に示すように、焼成装置1は、被焼成物から焼成物を焼成する焼成炉2と、被焼成物が載せられる複数のセッターSと、このセッターSに被焼成物を供給する供給部10と、焼成炉2で焼成された焼成物(被焼成物の焼成が完了したものを焼成物という)をセッターSから排出する排出部20と、セッターSを搬送する搬送部5と、を備えている。そして、前記複数のセッターSを、搬送部5によって供給部10、焼成炉2、排出部20の順で移動させることによって、連続して焼成物の焼成することができるようになっている。
以下、焼成装置1の各部の詳細を説明する。
(2) Baking Apparatus
This
5 and 6, the
Each part of the
(供給部10)
図5および図6に示すように、供給部10は、後述する供給搬送部5aにおいてセッターSが移動する径路の上方に位置するように設けられている。この供給部10は、混合粉末原料を供給するホッパー50を含んで構成されている。ホッパー50にはフレキシブルコンテナー80等から所定の混合比で混合された混合粉末原料が供給されるようになっている。
なお、ホッパー50と搬送供給部5a上にくるセッターSとの間には公知の充填機15を配置してもよい。充填機15は被焼成物のセッター5への充填性を上げる必要がある場合に設けられるが、その必要がない場合は、設けなくてよい。充填機15を設けない場合は、ホッパー50は図示の上下位置よりも低い位置に配置するとよい。
(Supply Unit 10)
5 and 6, the
A known filling
この供給部10は、ホッパー50の下方にセッターSが移動してくると、バルブ54を開閉して所定の量の混合粉末原料を排出して、セッターS内に混合粉末原料を被焼成物として供給できるようになっている。
ホッパー50のバルブ54の開閉は供給搬送部5aの作動と連動するように制御されていることが望ましい。例えば、ホッパー50の下方にセッターSが配置されると供給搬送部5aがセッターSの搬送を一時停止し、その停止信号を受けてホッパー50のバルブ54が開いて被焼成物がセッターSに供給される。そして、所定の量の被焼成物が供給器12に供給されると、ホッパー50のバルブ54が閉じるが、バルブが閉じた信号を受けて供給搬送部5aが移動するようにすることができる。
また、供給搬送部5aがセッターSの搬送を一時停止せずに、セッターSを移動させながら供給部10からセッターSに被焼成物を供給するようになっていてもよい。
When the setter S moves below the
It is desirable that the opening and closing of the
Alternatively, the supply and
(セッターS)
図5および図6において、符号Sはセッターを示している。このセッターSは、上部に開口Saを有し、内部に中空な空間Shを有する箱型に形成されたもので、匣鉢とも言われるものである。このセッターSの空間Shに被焼成物を収容した状態で、後述する焼成炉2において被焼成物から焼成物が焼成される。
(Setter S)
5 and 6, the symbol S indicates a setter. This setter S is formed in a box shape with an opening Sa at the top and a hollow space Sh inside, and is also called a sagger. With the object to be fired housed in the space Sh of this setter S, the object to be fired is fired from the object to be fired in the firing furnace 2 described later.
このセッターSは、被焼成物が焼成される温度でもその形状を維持でき、しかも、被焼成物内の物質と反応しない素材によって形成されている。例えば、リチウム複合金属酸化物を焼成する場合であれば、リチウム複合金属酸化物の焼成温度領域である600~900℃においてもリチウムに対する耐食性を有する素材によってセッターSが形成される。具体的には、アルミナ(Al2O3),ムライト(3Al2O3・2SiO2),コーディライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2),窒化ケイ素(Si3N4),サイアロン(Si3N4・Al2O3),マグネシア(MgO),ジルコニア(ZrO2)あるいはベリリア(BeO)などをセッターSの素材として使用できる。とくに、高純度アルミナやZrO2入りアルミナであれば、リチウムに対する耐食性に優れるため好ましい。また、ムライトやコーディライトは安価で耐食性も比較的優れており、総合的に低コストなため、焼成物を量産する場合におけるセッターSの素材として適している。 The setter S is made of a material that can maintain its shape even at the temperature at which the object to be sintered is sintered and does not react with the substances in the object to be sintered. For example, when a lithium composite metal oxide is sintered, the setter S is made of a material that has corrosion resistance against lithium even at 600 to 900°C, which is the sintering temperature range of the lithium composite metal oxide. Specifically, alumina (Al 2 O 3 ), mullite (3Al 2 O 3.2SiO 2 ), cordierite (2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), sialon (Si 3 N 4.Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), zirconia (ZrO 2 ), or beryllia (BeO) can be used as the material for the setter S. In particular, high-purity alumina or alumina containing ZrO 2 is preferable because it has excellent corrosion resistance against lithium. Furthermore, mullite and cordierite are inexpensive and have relatively good corrosion resistance, and are therefore suitable as materials for the setter S when mass-producing fired products, due to their overall low cost.
なお、セッターSは、全体を上記のような素材によって形成しなくてもよい。少なくとも、セッターSにおいて被焼成物と接触する面(つまりセッターSの内面)が被焼成物内の物質と反応しない素材によって形成されていればよい。例えば、リチウム複合金属酸化物を焼成する場合であれば、金属などで形成されたセッターSの内面をアルミナやムライト等で覆ってもよい。この場合でも、セッターSの本体を形成する素材には、被焼成物から焼成物が焼成される温度においてその形状を維持できる素材を使用することが必要である。 The setter S does not have to be entirely made of the above-mentioned materials. At least the surface of the setter S that comes into contact with the object to be sintered (i.e., the inner surface of the setter S) needs to be made of a material that does not react with the substances in the object to be sintered. For example, when sintering a lithium composite metal oxide, the inner surface of the setter S made of a metal or the like may be covered with alumina, mullite, or the like. Even in this case, the material that forms the main body of the setter S needs to be a material that can maintain its shape at the temperature at which the object to be sintered is sintered into the sintered product.
(搬送部5)
図5および図6に示すように、焼成装置1は、前記複数のセッターSを搬送する搬送部5を備えている。この搬送部5は、供給搬送部5aと、焼成炉搬送部5bと、排出搬送部5cと、返送搬送部5dとからなる。
供給搬送部5aは、供給部10において被焼成物が供給された複数のセッターSを焼成炉2に連続して搬入するものである。
焼成炉搬送部5bは、焼成炉2内において複数のセッターSを移動させるものである。
排出搬送部5cは、焼成された焼成物が収容されている複数のセッターSを焼成炉2から連続して搬出して排出部20に供給するものである。
返送搬送部5dは、排出部20において焼成物が排出された複数のセッターSを供給部10まで搬送するものである。なお、返送搬送部5dの途中には、セッターSを清掃する設備(例えば吸引装置等)等が設けられる場合がある。
(Transportation unit 5)
5 and 6, the
The supply and
The firing
The discharge/
The
搬送部5は、供給搬送部5a、焼成炉搬送部5b、排出搬送部5cおよび返送搬送部5d(以下単に各搬送部5a~5dという場合がある)が複数のセッターSを同じ速度で移動させるようになっていてもよいし、複数のセッターSが移動する速度がそれぞれ異なる速度にできるようになっていてもよい。もちろん各搬送部5a~5d内でも複数のセッターSを異なる速度で移動させることができるようになっていてもよい。
The conveying
各搬送部5a~5dは、上述したように複数のセッターSを搬送できるものであればよく、その搬送機構はとくに限定されない。搬送機構として、例えば、ベルトコンベアやチェーンコンベア、ローラーコンベア等を採用することができる。そして、各搬送部5a~5dの搬送機構は全て同じ機構としてもよいし、異なる搬送機構を採用してもよい。
As described above, each of the
図5および図6では、各搬送部5a~5dがローラーコンベアによって形成されている一例を示している。
さらに、各搬送部5a~5dの各部を構成する部品の素材はとくに限定されないが、リチウムによる浸食に強いアルミナやムライトなどの素材を用いるとことが好ましい。かかる素材を部品の表面に使用すれば、被焼成物から水酸化リチウム等の飛散などが生じた場合に水酸化リチウム等による損傷を防止できる。
5 and 6 show an example in which each of the
Furthermore, although there are no particular limitations on the materials that constitute the components of each of the
(焼成炉2)
図5および図6において、符号2は本実施形態の焼成装置1の焼成炉を示している。この焼成炉2は、被焼成物を移動させながら焼成物に焼成する連続焼成炉である。この焼成炉2内には上述した焼成炉搬送部5bが設けられており、被焼成物を収容した複数のセッターSを移動させながら被焼成物を焼成物に焼成することができるようになっている。例えば、ローラーハースキルンやプッシャー炉、コンベア炉などの公知の連続焼成炉を本実施形態の焼成装置1の焼成炉2として使用することができる。
なお、焼成炉2自体がセッターSや被焼成物等を搬送する搬送機構を有している場合には、この搬送機構を焼成炉搬送部5bとして使用してもよい。
(Firing furnace 2)
In Fig. 5 and Fig. 6, the reference numeral 2 denotes the firing furnace of the
In addition, in the case where the firing furnace 2 itself has a transport mechanism for transporting the setter S, the object to be fired, etc., this transport mechanism may be used as the firing
焼成炉2は、その内部の空間2hの温度を所定の温度に維持することができるものである。焼成炉2において、内部の空間2hの温度を所定の温度に維持する方法はとくに限定されない。例えば、電気式ヒーターやガス式ヒーター、熱媒式ヒーター等によって焼成炉2内の空間2hの温度を所定の温度以上に維持することができる。
The firing furnace 2 is capable of maintaining the temperature of the
焼成炉2が、均熱ゾーン2a、昇温ゾーン2bおよび降温ゾーン2cを有する場合には、各ゾーンでは、空間の温度は以下のように調整される。また、各ゾーンにおける焼成物の移動時間、つまり搬送部5によるセッターSを搬送する速度は以下のように調整される。
まず、均熱ゾーン2aは、被焼成物から焼成物を焼成する領域である。この均熱ゾーン2aでは、被焼成物から焼成物を焼成できる温度に空間の温度が維持される。また、均熱ゾーン2a内を各セッターSが移動する時間は、各セッターS内の被焼成物を焼成物に焼成できる時間となるように調整される。なお、上述したように、被焼成物あるいは焼成物の物性が変わらない雰囲気となるように、均熱ゾーン2aには酸素ガスが導入される。
昇温ゾーン2bは、均熱ゾーン2aにおける焼成が適切に行われるように、被焼成物の温度を所定の温度まで上昇させる領域である。昇温ゾーン2bでは、被焼成物の温度が所定の温度まで上昇するように、空間の温度や被焼成物の移動時間が調整される。具体的には、搬入される被焼成物が均熱ゾーン2aの温度に徐々に近づくように、昇温ゾーン2bでは空間の温度や被焼成物の移動時間が調整される。つまり、急激な温度上昇によって被焼成物中の物質の異常な反応等が生じないように昇温ゾーン2bは入り口から出口に向かって段々と温度が上がるよう調整される。なお、上述したように、被焼成物の物性が変わらない雰囲気となるように昇温ゾーン2bにも酸素ガスが導入される。
降温ゾーン2cは、昇温ゾーン2bとは逆に、被焼成物の温度を所定の温度まで低下させる領域である。均熱ゾーン2aにおいて焼成された焼成物がそのまま常温の空気に接すると、焼成物の温度が急激に変化して焼成物の変質や高温で大気に接触することによる比表面積などの物性変化等の問題が生じる可能性がある。そこで、焼成炉2から排出される段階において常温の空気に接しても焼成物の変質等が生じない温度となるように、降温ゾーン2cでは、焼成物の温度が徐々に低下するように空間の温度や焼成物の移動時間を調整するとともに、降温ゾーン2cの雰囲気を均熱ゾーン2aと同等のものにしておく。
When the firing furnace 2 has a soaking
First, the soaking
The
The temperature-reducing
例えば、水和水を除去した水酸化リチウム(LiOH)とニッケル複合水酸化物(Ni0.91Co0.04Al0.05(OH)2)の混合物からリチウム複合金属酸化物(LiNi0.91Co0.04Al0.05O2)を焼成する場合を考える。この場合であれば、リチウム複合金属酸化物が焼成される温度が730~770℃程度であるので、焼成炉2の均熱ゾーン2aは空間が730~770℃程度になるように設定され、均熱ゾーン2a内を各セッターSが移動する時間が2~5時間程度となるように搬送部5の作動が調整される。また、昇温ゾーン2bは、混合物が均熱ゾーン2aに入る段階で焼成温度(730~770℃程度)となっていることが好ましいので、昇温ゾーン2bの入り口側では300℃程度、出口側の空間が焼成温度になるように設定され、昇温ゾーン2bの出口でリチウム複合酸化物が焼成温度になるように、昇温ゾーン2b内を各セッターSが移動する時間を調整するため、搬送部5の作動が調整される。
For example, consider the case where lithium composite metal oxide ( LiNi0.91Co0.04Al0.05O2) is sintered from a mixture of lithium hydroxide (LiOH) from which water of hydration has been removed and nickel composite hydroxide ( Ni0.91Co0.04Al0.05 (OH) 2 ). In this case, since the temperature at which the lithium composite metal oxide is sintered is about 730 to 770°C, the soaking zone 2a of the sintering furnace 2 is set so that the space is about 730 to 770°C, and the operation of the conveying
(排出部20)
図5および図6に示すように、排出部20は、排出搬送部5cと返送搬送部5dの間に配置されている。この排出部20は、セッターS内の焼成物(被焼成物の焼成が完了したもの)を粉砕して小さい塊や粉状にする破砕機構21と、この破砕機構21に対してセッターS内の焼成物を供給する焼成物供給器(図示せず)と、を備えている。
(Discharge section 20)
5 and 6, the
焼成物供給器は、排出搬送部5c上を搬送されるセッターSを反転させて、セッターS内の焼成物を破砕機構21に供給するものである。この焼成物供給器は、セッターSを反転させることができるものであればよくとくに限定されない。例えば、セッターSを保持してセッターSを反転させるアームを備えた装置等を採用することができる。なお、焼成物供給器は、セッターSを反転させた後、セッターSを排出搬送部5cから返送搬送部5dに移載する機能を有していることが望ましい。
The baked product supplying device inverts the setter S transported on the
破砕機構21は、焼成物供給器から供給される焼成物を粉砕できる機能を有するものであればよく、とくに限定されない。例えば、図2および図3に示すように、所定の間隔を空けて配置された一対のロール22,22を有していれば、その一対のロール22,22間に焼成物を挟んで粉砕することができる。つまり、破砕機構21として、ロールクラッシャーを採用すれば、一対のロール間に焼成物を供給すれば、焼成物を粉砕することができる。
The crushing
ロールクラッシャーのロール22,22には、ロール内部に冷却水を給排する等の冷却機構を設けておくことが好ましい。冷却機構によりロール22を冷却できれば、ロール表面が過度な高温にならず、ロールに接触する焼成物の物性を変えることがない。
It is preferable to provide a cooling mechanism for the
ロールクラッシャーの他には、ジョークラッシャーなどを用いることができる。また、数ミリ以下の粒度まで粉砕する場合は、ピンミル、ハンマーミル、ジェットミルなどをロールクラッシャーやジョークラッシャーと併用するとよい。
さらに、破砕機構21は焼成物を粉砕して形成された塊や粉状を次工程に搬送する機能を有していてもよいし、次工程に搬送するコンベア等に塊や粉状を排出するようになっていてもよい。
In addition to the roll crusher, a jaw crusher or the like can be used. In addition, when crushing to a particle size of a few millimeters or less, a pin mill, a hammer mill, a jet mill, or the like can be used in combination with the roll crusher or jaw crusher.
Furthermore, the crushing
粉砕機構21を備えていれば、焼成により固まってしまった焼成物を粉砕することができるので、二次電池用正極活物質に用いるのに適当な粒度にすることができる。また、粉砕された焼成物を水洗工程に供することができるので、より均一に焼成物を水洗することができる。
The grinding
(焼成雰囲気維持機構)
本発明の焼成装置1では、各部の作業空間の酸素濃度を80%以上に維持する機構を備えておくことが好ましい。
1)供給部10は、ホッパー50のバルブ54内部を所定の雰囲気に維持できる機能を有していることが望ましい。例えば、ホッパー50のバルブ54内部に酸素を導入する機能を有していれば、ホッパー50のバルブ54内部の被焼成物の周囲の雰囲気を酸素濃度が80%以上にすることができる。つまり、ホッパー50のバルブ54内部を被焼成物の物性が変わらない雰囲気にできる。
また、供給部10は、バルブ54から被焼成物が供給されるセッターS(供給器12下方に配置されたセッターS)を覆うフードなどを有していてもよい。その場合、バルブ54からセッターSに供給される被焼成物やセッターS内の被焼成物も所定の雰囲気に維持できる。
(Firing atmosphere maintaining mechanism)
The
1) It is desirable that the
The
2)焼成炉2は、その内部の空間2hつまり、被焼成物および焼成物の周囲を所定の雰囲気に維持する機能を有している。所定の雰囲気とは、被焼成物を焼成物に焼成する際に適した雰囲気を意味している。例えば、リチウム複合金属酸化物を焼成する場合であれば、焼成炉2内の空間2hが所定の酸素濃度(例えば80%以上)に維持された酸素雰囲気が所定の雰囲気に相当する。なお、焼成炉2内の空間2hを上述した酸素雰囲気に維持する方法には制限がない。例えば、焼成炉2内の空間2hに酸素を導入する酸素導入装置を設けて、この酸素導入装置によって空間2hに酸素ガスを導入する。すると、焼成炉2内の空間2hを所定の酸素濃度(例えば80%以上)に維持された酸素雰囲気に維持することができる。
なお、均熱ゾーン2aには焼成反応に必要な酸素濃度になるように酸素ガスが導入される。
また、降温ゾーン2cにも焼成物の物性が変わらない雰囲気となるように酸素ガスが導入される。
2) The firing furnace 2 has a function of maintaining the
Oxygen gas is introduced into the soaking
Oxygen gas is also introduced into the
3)排出部20の内部、とくに破砕機構21は、焼成物を粉砕する空間、あるいは、焼成物が供給される空間を所定の雰囲気に維持できる機能を有していることが望ましい。例えば、破砕機構21の内部に酸素を導入する機能を有していれば、破砕機構21に供給された焼成物の周囲の雰囲気を酸素濃度が80%以上となるようにすることができる。つまり、破砕機構21において焼成物を破砕する間に焼成物の物性が変化することを防止できる。
3) It is desirable that the interior of the
4)供給部10から焼成炉2の入り口までを覆うフードなどを有していれば、供給部10から焼成炉2まで移動する間も、被焼成物の周囲を所定の雰囲気に維持できる。
すると、供給部10から焼成炉2まで移動する間に、被焼成物の物性が変化することを抑制できる。
また、焼成炉2から排出部20までを覆うフードなどを有していれば、焼成炉2から排出部20まで焼成物が移動する間も焼成物の周囲の雰囲気を所定の雰囲気に維持できる。すると、焼成炉2から排出部20まで移動する間に、焼成物の物性が変化することを抑制できる。
4) If a hood or the like is provided to cover the area from the
This makes it possible to suppress changes in the physical properties of the material to be fired while it is moving from the
Furthermore, if there is a hood or the like that covers the area from the firing furnace 2 to the
特許請求の範囲でいう「作業空間」とは、供給部10、焼成炉2および排出部20(破砕機構21を含む)において、被焼成物が移動していきながら必要な処理を受ける空間をいう。
The "work space" in the claims refers to the space in the
(3)リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
本発明のホッパーおよび焼成装置は二次電池用正極活物質の原料の供給と焼成に好適に用いることができる。
本発明が適用される二次電池用正極活物質には、とくに制限はないが、リチウムニッケル複合酸化物が一例としてあげられる。
リチウムニッケル複合酸化物は、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、それ以外の元素(M)を含み、かつ、各元素の原子数比がLi:Ni:Co:M=s:(1-x-y):x:y(ただし、0.93<s<1.03、0.00≦x≦0.35、0.03≦y≦0.35、Mは1種類以上の遷移金属、アルカリ土類金属、卑金属、または、半金属)で表される。また、上記リチウムニッケル複合酸化物(以下、単に「複合酸化物」ともいう。)は、層状構造の結晶構造を有し、一次粒子が凝集して形成された二次粒子の形態を含んでもよい。
(3) Method for Producing Positive Electrode Active Material for Lithium Ion Secondary Battery The hopper and the sintering device of the present invention can be suitably used for supplying raw materials and sintering the positive electrode active material for secondary batteries.
The positive electrode active material for a secondary battery to which the present invention is applied is not particularly limited, but an example thereof is a lithium nickel composite oxide .
The lithium nickel composite oxide contains lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and other elements (M), and the atomic ratio of the elements is expressed as Li:Ni:Co:M=s:(1-xy):x:y (where 0.93<s<1.03, 0.00≦x≦0.35, 0.03≦y≦0.35, and M is one or more transition metals, alkaline earth metals, base metals, or semimetals). The lithium nickel composite oxide (hereinafter also simply referred to as "composite oxide") has a layered crystal structure, and may include a form of secondary particles formed by aggregation of primary particles.
図7は、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法の一例を示す図である。図7に示されるように、正極活物質の製造方法は、正極活物質の原料であるニッケル複合酸化物と、リチウム化合物と、を含むリチウム混合物を得ること(混合工程:ステップS10)と、リチウム混合物を焼成すること(焼成工程:ステップS30)と、を含むものである。以下、各工程について説明する。 Fig. 7 is a diagram showing an example of a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery. As shown in Fig. 7, the method for producing a positive electrode active material includes obtaining a lithium mixture containing a nickel composite oxide, which is a raw material for the positive electrode active material , and a lithium compound (mixing step: step S10), and calcining the lithium mixture (calcining step: step S30). Each step will be described below.
(混合工程:ステップS10)
まず、ニッケル複合酸化物と、リチウム化合物とを混合してリチウム混合物を得る(ステップS10)。製造方法は、原料としてニッケル複合酸化物を用いることにより、非常に短時間の焼成で結晶性の高いリチウムニッケル複合酸化物を生産性高く得ることができる。以下、混合工程(ステップS10)に用いる各原料について説明する。
(Mixing process: step S10)
First, a nickel composite oxide and a lithium compound are mixed to obtain a lithium mixture (step S10). In the manufacturing method, a lithium nickel composite oxide having high crystallinity can be obtained with high productivity by firing in a very short time by using a nickel composite oxide as a raw material. Each raw material used in the mixing step (step S10) will be described below.
(ニッケル複合酸化物)
ニッケル複合酸化物は、ニッケルとそれ以外の遷移金属、アルカリ土類金属、卑金属、または、半金属などを含む複合酸化物である。以降の説明ではニッケル複合酸化物の1例として、ニッケル及びコバルトを含む酸化物(以下、「ニッケルコバルト複合酸化物」ともいう。)として説明する。
(Nickel composite oxide)
The nickel composite oxide is a composite oxide containing nickel and other transition metals, alkaline earth metals, base metals, semimetals, etc. In the following description, an oxide containing nickel and cobalt (hereinafter also referred to as "nickel-cobalt composite oxide") will be described as an example of the nickel composite oxide.
ニッケルコバルト複合酸化物は、ニッケル及びコバルト以外に、他の元素Mを含んでもよい。元素Mはニッケル、コバルト以外の遷移金属、アルカリ土類金属、卑金属、または、半金属から選択される1種以上であり、例えば、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、ホウ素、ニオブ、バナジウム、チタンなどが挙げられる。 The nickel-cobalt composite oxide may contain, in addition to nickel and cobalt, another element M. The element M is at least one element selected from nickel, transition metals other than cobalt, alkaline earth metals, base metals, and semimetals, such as manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, boron, niobium, vanadium, and titanium.
ニッケルコバルト複合酸化物は、例えば、ニッケル(Ni)と、コバルト(Co)と、元素Mとを含み、各元素の原子数比(モル比)が、Ni:Co:M=(1-x-y):x:y(0.00≦x≦0.35、0.03≦y≦0.35)で表されてもよい。なお、ニッケルコバルト複合酸化物に含まれる各元素の比率は、リチウムニッケル複合酸化物まで継承される。よって、ニッケルコバルト複合酸化物全体の組成は、得ようとするリチウムニッケル複合酸化物のリチウム以外の金属の組成と同様とすることができる。 Nickel-cobalt composite oxide may contain, for example, nickel (Ni), cobalt (Co), and element M, and the atomic ratio (molar ratio) of each element may be expressed as Ni:Co:M = (1-x-y):x:y (0.00≦x≦0.35, 0.03≦y≦0.35). The ratio of each element contained in the nickel-cobalt composite oxide is inherited to the lithium-nickel composite oxide. Therefore, the composition of the entire nickel-cobalt composite oxide can be the same as the composition of the metals other than lithium in the lithium-nickel composite oxide to be obtained.
ニッケルコバルト複合酸化物は、例えば、正極活物質の前駆体として用いられるニッケルコバルト複合水酸化物を酸化することで得ることができる。ニッケルコバルト複合酸化物を用いた場合、リチウム混合物の焼成時に発生する水蒸気の量が減少し、格段に反応が進みやすくなり、焼成時間を大幅に短縮することができる。以下、ニッケルコバルト複合酸化物の製造方法の一例について説明する。なお、ニッケルコバルト複合酸化物は、他の製造方法により得てもよい。 Nickel-cobalt composite oxide can be obtained, for example, by oxidizing nickel-cobalt composite hydroxide, which is used as a precursor of the positive electrode active material. When nickel-cobalt composite oxide is used, the amount of water vapor generated during the firing of the lithium mixture is reduced, the reaction proceeds much more easily, and the firing time can be significantly shortened. An example of a method for producing nickel-cobalt composite oxide is described below. Note that nickel-cobalt composite oxide may also be obtained by other production methods.
図8は、ニッケルコバルト複合酸化物の製造方法の一例を示した図である。例えば、ニッケルコバルト複合酸化物は、晶析(ステップS1)により得られたニッケルコバルト複合水酸化物を酸化焙焼すること(ステップS2)を備える方法により得ることができる。晶析により得られるニッケルコバルト複合水酸化物は、粒子全体で組成が均一となり、最終的に得られる正極活物質の組成も均一になる。なお、ニッケルコバルト複合酸化物は、晶析以外の方法により得てもよい。以下、ニッケルコバルト複合酸化物を製造する各工程について説明する。 Figure 8 shows an example of a method for producing nickel-cobalt composite oxide. For example, nickel-cobalt composite oxide can be obtained by a method including oxidizing and roasting (step S2) nickel-cobalt composite hydroxide obtained by crystallization (step S1). The nickel-cobalt composite hydroxide obtained by crystallization has a uniform composition throughout the particles, and the composition of the final positive electrode active material is also uniform. Note that nickel-cobalt composite oxide may be obtained by a method other than crystallization. Each step of producing nickel-cobalt composite oxide will be described below.
(晶析工程;ステップS1)
ニッケルコバルト複合水酸化物は、ニッケルを含む塩(Ni塩)、コバルトを含む塩(Co塩)、及び、元素M含む塩を含有する水溶液に、中和剤などを供給して、晶析すること(ステップS1)で得られる。具体例としては、ニッケル塩、コバルト塩及び元素Mの塩を含有する水溶液を攪拌しながら、アンモニウムイオン供給体などの錯化剤の存在下、アルカリ水溶液を用いて中和して、晶析反応を行うことで製造することができる。晶析法により得られたニッケルコバルト複合水酸化物は、一次粒子が凝集した二次粒子で構成され、このニッケルコバルト複合水酸化物粒子を前駆体として用いて得られる正極活物質も一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたものとなる。
上記金属塩を含有する水溶液を調整する際に用いる金属塩としては、例えば、Ni、Co及び元素Mそれぞれの硫酸塩、硝酸塩、塩化物を用いることができる。
(Crystallization step; step S1)
The nickel-cobalt composite hydroxide is obtained by supplying a neutralizing agent or the like to an aqueous solution containing a salt containing nickel (Ni salt), a salt containing cobalt (Co salt), and a salt containing element M, and crystallizing (step S1). As a specific example, the nickel-cobalt composite hydroxide can be produced by neutralizing an aqueous solution containing a nickel salt, a cobalt salt, and a salt of element M in the presence of a complexing agent such as an ammonium ion donor while stirring the aqueous solution, and performing a crystallization reaction. The nickel-cobalt composite hydroxide obtained by the crystallization method is composed of secondary particles in which primary particles are aggregated, and the positive electrode active material obtained by using this nickel-cobalt composite hydroxide particle as a precursor is also composed of secondary particles in which primary particles are aggregated.
As the metal salt used in preparing the aqueous solution containing the metal salt, for example, sulfates, nitrates, and chlorides of Ni, Co, and element M can be used.
ニッケルコバルト複合水酸化物は、ニッケル(Ni)と、コバルト(Co)と、任意に他の金属(M)とを含むことができ、各元素のモル比が、Ni:Co:M=1-x-y:x:y(0.00≦x≦0.35、0.03≦y≦0.35)で表されることが好ましい。ニッケルコバルト複合水酸化物に含まれる各元素の比率は、ニッケルコバルト複合酸化物、及び、リチウムニッケル複合酸化物まで継承される。よって、ニッケルコバルト複合水酸化物全体の組成は、得ようとするリチウムニッケル複合酸化物のリチウム以外の金属の組成と同様とすることができる。 The nickel-cobalt composite hydroxide can contain nickel (Ni), cobalt (Co), and optionally other metals (M), and the molar ratio of each element is preferably expressed as Ni:Co:M = 1-x-y:x:y (0.00≦x≦0.35, 0.03≦y≦0.35). The ratio of each element contained in the nickel-cobalt composite hydroxide is inherited to the nickel-cobalt composite oxide and the lithium-nickel composite oxide. Therefore, the composition of the nickel-cobalt composite hydroxide as a whole can be made the same as the composition of the metals other than lithium in the lithium-nickel composite oxide to be obtained.
なお、晶析方法としては、特に限定されず、例えば、連続晶析法、バッチ法などを用いることができる。連続晶析法は、例えば、反応容器からオーバーフローしたニッケルコバルト複合水酸化物を連続的に回収する方法であり、組成が等しいニッケルコバルト複合水酸化物を大量にかつ簡便に作製できる。また、連続晶析法で得られたニッケルコバルト複合酸化物は、広い粒度分布を有するため、セッターへ充填したときの混合粉末原料の充填密度を向上させることができる。なお、ニッケルコバルト複合水酸物の粒径は、例えば、1μm以上50μm以下である。
バッチ法は、より均一な粒径を有し、粒度分布の狭いニッケルコバルト複合水酸物を得ることができる。バッチ法で得られたニッケルコバルト複合水酸化物は、焼成の際、より均一にリチウム化合物と反応することができる。また、バッチ法で得られたニッケルコバルト複合水酸化物は、二次電池に用いられた際にサイクル特性や出力特性を低下させる原因の一つとなる微粉の混入を減少させることができる。
The crystallization method is not particularly limited, and for example, a continuous crystallization method, a batch method, etc. can be used. The continuous crystallization method is, for example, a method of continuously recovering nickel-cobalt composite hydroxide overflowing from a reaction vessel, and can easily produce a large amount of nickel-cobalt composite hydroxide having the same composition. In addition, since the nickel-cobalt composite oxide obtained by the continuous crystallization method has a wide particle size distribution, it is possible to improve the packing density of the mixed powder raw material when it is packed into a setter. The particle size of the nickel-cobalt composite hydroxide is, for example, 1 μm or more and 50 μm or less.
The batch method can obtain nickel-cobalt composite hydroxide having a more uniform particle size and a narrow particle size distribution. The nickel-cobalt composite hydroxide obtained by the batch method can react more uniformly with a lithium compound during firing. In addition, the nickel-cobalt composite hydroxide obtained by the batch method can reduce the inclusion of fine powder, which is one of the causes of deterioration of cycle characteristics and output characteristics when used in a secondary battery.
(酸化焙焼:ステップS2)
次いで、ニッケルコバルト複合水酸化物を、酸化焙焼(熱処理)をすることにより、ニッケルコバルト複合酸化物を得る(ステップS2)。酸化焙焼の条件は、ニッケルコバルト複合水酸化物の大部分がニッケルコバルト複合酸化物に変換される条件であれば、特に限定されないが、例えば、酸化焙焼の温度は600℃以上800℃以下であることが好ましい。酸化焙焼の温度が600℃未満である場合、ニッケルコバルト複合水酸化物(前駆体)に水分が残留して酸化が十分に進まないことがある。一方、酸化焙焼の温度が800℃を超える場合、複合酸化物同士が結着して粗大粒子が形成されることがある。また、酸化焙焼の温度が高すぎる場合、多くのエネルギーを使用するため、コストの観点から、生産性が低下し、工業的に適当ではない。
(Oxidation roasting: step S2)
Next, the nickel-cobalt composite hydroxide is subjected to oxidative roasting (heat treatment) to obtain a nickel-cobalt composite oxide (step S2). The conditions of the oxidative roasting are not particularly limited as long as most of the nickel-cobalt composite hydroxide is converted to the nickel-cobalt composite oxide, but for example, the temperature of the oxidative roasting is preferably 600°C or more and 800°C or less. If the temperature of the oxidative roasting is less than 600°C, moisture may remain in the nickel-cobalt composite hydroxide (precursor) and oxidation may not proceed sufficiently. On the other hand, if the temperature of the oxidative roasting exceeds 800°C, the composite oxides may be bonded together to form coarse particles. In addition, if the temperature of the oxidative roasting is too high, a lot of energy is used, so productivity decreases from the viewpoint of cost, and it is not industrially suitable.
酸化焙焼の時間は、例えば、0.5時間以上3.0時間以下であることが好ましい。酸化焙焼の時間が0.5時間未満である場合、ニッケルコバルト複合水酸化物の酸化が十分に進まないことがある。一方、酸化焙焼の時間が3.0時間を超える場合、エネルギーコストが大きくなり、生産性が低下し、工業的に適当ではない。 The time for oxidizing roasting is preferably, for example, 0.5 hours or more and 3.0 hours or less. If the time for oxidizing roasting is less than 0.5 hours, the oxidation of the nickel-cobalt composite hydroxide may not proceed sufficiently. On the other hand, if the time for oxidizing roasting exceeds 3.0 hours, the energy cost increases, the productivity decreases, and it is not industrially suitable.
(リチウム化合物)
図7に戻り、ニッケル複合酸化物(図8に示すニッケルコバルト複合酸化物)と混合されるリチウム化合物を説明する。リチウム化合物としては、特に限定されず、公知のリチウム化合物を用いることができ、例えば、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、又は、これらの混合物が用いることができる。これらの中でも、好ましくは水酸化リチウム、炭酸リチウムが用いられる。
(Lithium compounds)
Returning to Fig. 7, the lithium compound to be mixed with the nickel composite oxide (nickel-cobalt composite oxide shown in Fig. 8) will be described. The lithium compound is not particularly limited, and any known lithium compound can be used, such as lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium acetate, or a mixture thereof. Of these, lithium hydroxide and lithium carbonate are preferably used.
また、リチウム化合物は、焼結の際の反応性を高め、焼成時間をより短くするという観点から、水酸化リチウムが好ましい。 In addition, lithium hydroxide is preferred as the lithium compound from the viewpoint of increasing reactivity during sintering and shortening the firing time.
水酸化リチウムとしては、水酸化リチウム一水和物(LiOH・H2O)などの水和物、無水水酸化リチウム(LiOH)などの無水物を用いることができ、中でも、無水水酸化リチウムが好ましく、水分率が1.5%以下、かつ、トータルカーボンが1.0%以下の水酸化リチウムがより好ましい。
水分率が1.5%以下、かつ、トータルカーボンが1.0%以下の水酸化リチウムは、例えば、水酸化リチウム水和物(LiOH・H2O)を熱処理して得ることができる。このような水酸化リチウムを用いた場合、焼成工程(ステップS30)における水分の発生が抑制されることにより、リチウムニッケル複合酸化物の合成反応が促進され、焼成時間を短縮することができる。
As the lithium hydroxide, a hydrate such as lithium hydroxide monohydrate ( LiOH.H2O ) or an anhydrous such as anhydrous lithium hydroxide (LiOH) can be used. Among them, anhydrous lithium hydroxide is preferred, and lithium hydroxide having a moisture content of 1.5% or less and a total carbon content of 1.0% or less is more preferred.
Lithium hydroxide having a moisture content of 1.5% or less and a total carbon content of 1.0% or less can be obtained, for example, by heat treating lithium hydroxide hydrate (LiOH.H 2 O). When such lithium hydroxide is used, the generation of moisture in the firing step (step S30) is suppressed, thereby accelerating the synthesis reaction of the lithium nickel composite oxide and shortening the firing time.
(リチウム混合物)
図7の工程図に示すニッケル複合酸化物とリチウム化合物との混合割合は、ニッケル複合酸化物中のニッケル、コバルト及びアルミニウムの合計の原子数(Me)とリチウムの原子数(Li)との比(Li/Me比)が、0.93を超え1.03未満の範囲となるように混合される。Li/Me比が0.93以下である場合、焼成工程(ステップS30)において、一部のニッケル複合酸化物が反応せずに残存して十分な電池性能が得られないことがある。一方、Li/Me比が1.03以上である場合、焼成工程(ステップS30)において、焼結が促進され、焼成物が硬くなり解砕が困難になることや、得られるリチウムニッケル複合酸化物の粒径や結晶子径が大きくなりすぎ、十分な電池性能が得られないことがある。この混合比(Li/Me比)を本発明の焼成装置1(図2~3)に供給する前と後とで変えないようにするのが、本発明のホッパー(図1)の役割である。
(Lithium mixture)
The mixing ratio of the nickel composite oxide and the lithium compound shown in the process diagram of FIG. 7 is such that the ratio (Li/Me ratio) of the total number of atoms (Me) of nickel, cobalt, and aluminum in the nickel composite oxide to the number of atoms (Li) of lithium is in the range of more than 0.93 and less than 1.03. If the Li/Me ratio is 0.93 or less, some of the nickel composite oxide may remain unreacted in the firing step (step S30), and sufficient battery performance may not be obtained. On the other hand, if the Li/Me ratio is 1.03 or more, sintering may be promoted in the firing step (step S30), the fired product may become hard and difficult to crush, or the particle size and crystallite size of the lithium nickel composite oxide obtained may become too large, and sufficient battery performance may not be obtained. The role of the hopper (FIG. 1) of the present invention is to keep this mixing ratio (Li/Me ratio) unchanged before and after supplying it to the firing device 1 (FIGS. 2-3) of the present invention.
二次電池の構成の違い等により、要求されるLi/Me比の値は異なるため、Li/Me比の値は、上記範囲内において、その要求に応じて適宜、設定することができる。なお、Li/Me比の値は、例えば、0.95以上1.03未満であってもよく、1.0以上1.03未満であってもよく、1.0を超え1.03未満であってもよい。 The required Li/Me ratio value varies depending on the configuration of the secondary battery, and the Li/Me ratio value can be set appropriately within the above range according to the requirements. The Li/Me ratio value may be, for example, 0.95 or more and less than 1.03, 1.0 or more and less than 1.03, or more than 1.0 and less than 1.03.
また、Li/Me比は、焼成工程(ステップS30)の前後でほぼ変化しないので、リチウム混合物中のLi/Me比が、リチウムニッケル複合酸化物中でもほぼ維持される。よって、ニッケル複合酸化物とリチウム化合物との混合割合は、得ようとするリチウムニッケル複合酸化物中のLi/Me比と同じになるように、適宜調整することができる。 In addition, since the Li/Me ratio does not change much before and after the calcination process (step S30), the Li/Me ratio in the lithium mixture is almost maintained in the lithium nickel composite oxide. Therefore, the mixing ratio of the nickel composite oxide and the lithium compound can be appropriately adjusted so that it is the same as the Li/Me ratio in the lithium nickel composite oxide to be obtained.
ニッケル複合酸化物とリチウム化合物との混合には、一般的な混合機を使用することができ、例えば、シェイカーミキサ、レーディゲミキサ、ジュリアミキサ、Vブレンダなどを用いることができる。またこの混合は、ニッケル複合酸化物の形骸が破壊されない程度で、十分に混合されればよい。混合が十分でない場合、個々の粒子間でLi/Me比がばらつき、十分な電池特性が得られない等の問題が生じる可能性がある。 A common mixer can be used to mix the nickel composite oxide and the lithium compound, such as a shaker mixer, a Loedige mixer, a Julia mixer, or a V blender. This mixing should be sufficient so long as the nickel composite oxide is not destroyed. If the mixing is not sufficient, the Li/Me ratio may vary between individual particles, resulting in problems such as insufficient battery characteristics.
上記のようにLi/Me比が適切な比率で混合されると、フレキシブルコンテナー(図3の符号80)等に充填される。そして、このフレキシブルコンテナー80から焼成工程の前に、図5に示す焼成装置1の供給部10におけるホッパー50に混合粉末原料が供給される。
さらに、ホッパー50から焼成装置1のセッターSに混合粉末原料が被焼成物として充填されて焼成から排出までの工程が実行される。
When the Li/Me ratio is appropriately mixed as described above, the mixture is filled into a flexible container (
Furthermore, the mixed powder raw material is charged from the
(焼成:ステップS30)
図7の工程図に示す焼成工程(S30)では、得られた被焼成物を酸素雰囲気中、650℃以上1100℃以下で焼成する(焼成工程、ステップS30)。被焼成物を焼成することにより、ニッケルコバルト複合酸化物とリチウム化合物とが反応し、リチウムニッケル複合酸化物が生成される。上述した被焼成物を上記温度で焼成することにより、従来の焼成時間よりも非常に短い時間で、従来と同等以上の高い結晶性を有するリチウムニッケル複合酸化物(正極活物質)を得ることができる。
(Baking: Step S30)
In the firing step (S30) shown in the process diagram of Fig. 7, the obtained sintered material is fired in an oxygen atmosphere at 650°C to 1100°C (sintering step, step S30). By firing the sintered material, the nickel-cobalt composite oxide reacts with the lithium compound to produce a lithium-nickel composite oxide. By firing the above-mentioned sintered material at the above temperature, a lithium-nickel composite oxide (positive electrode active material) having high crystallinity equal to or higher than that of the conventional material can be obtained in a much shorter time than the conventional firing time.
焼成条件は、被焼成物中のニッケル複合酸化物とリチウム化合物とが反応して、リチウムニッケル複合酸化物が形成される条件であれば、特に限定されないが、例えば、温度を室温から徐々に上げ、650℃以上1100℃以下の温度範囲で3時間以下保持することが好ましい。焼成温度が650℃未満である場合、リチウムの拡散が十分に行われなくなり、未反応のリチウム化合物の粒子が残ったり、リチウムニッケル複合酸化物の結晶構造が十分整わなくなったりして、得られた正極活物質を用いた二次電池が十分な電池特性を有さないことがある。一方、焼成温度が1100℃超である場合、リチウムニッケル複合酸化物粒子間で激しく焼結が生じるとともに異常粒成長を生じて、比表面積が低下することがある。また、正極活物質の比表面積が低下して、二次電池における正極の抵抗が上昇して電池容量が低下することがある。 The firing conditions are not particularly limited as long as the nickel composite oxide and the lithium compound in the fired material react to form a lithium nickel composite oxide. For example, it is preferable to gradually increase the temperature from room temperature and maintain it at a temperature range of 650°C to 1100°C for 3 hours or less. If the firing temperature is less than 650°C, lithium diffusion may not be sufficient, unreacted lithium compound particles may remain, or the crystal structure of the lithium nickel composite oxide may not be fully aligned, so that a secondary battery using the obtained positive electrode active material may not have sufficient battery characteristics. On the other hand, if the firing temperature is more than 1100°C, intense sintering may occur between the lithium nickel composite oxide particles and abnormal grain growth may occur, resulting in a decrease in the specific surface area. In addition, the specific surface area of the positive electrode active material may decrease, increasing the resistance of the positive electrode in the secondary battery and decreasing the battery capacity.
なお、焼成温度は、被焼成物の組成や形状に応じて、適宜、調整することができる。例えば、ニッケル複合酸化物のその他の元素Mがアルミニウム(Al)でリチウム化合物が水酸化リチウムであった場合、焼成温度の範囲は700℃以上800℃であってもよく、730℃以上770℃以下であると好ましく、この温度を2~5時間程度保持することができる。また、その他の元素がマンガンでリチウム化合物が炭酸リチウムの場合は、焼成温度の範囲は850~1050℃程度で、この温度を6~15時間程度保持することができる。 The firing temperature can be adjusted as appropriate depending on the composition and shape of the material to be fired. For example, when the other element M of the nickel composite oxide is aluminum (Al) and the lithium compound is lithium hydroxide, the firing temperature may be in the range of 700°C to 800°C, and is preferably in the range of 730°C to 770°C, and this temperature can be maintained for about 2 to 5 hours. When the other element is manganese and the lithium compound is lithium carbonate, the firing temperature is in the range of about 850 to 1050°C, and this temperature can be maintained for about 6 to 15 hours.
上記焼成温度で被焼成物を保持する時間(以下、「保持時間」ともいう。)は、高い結晶性を有するリチウムニッケル複合酸化物が形成されれば、特に限定されないが、例えば、5時間以下であり、好ましくは3時間以下であってもよい。焼成時間が短いほど、生産性が向上する。また、焼成時間の下限は、例えば2.5時間以上であってもよい。 The time for which the material to be fired is held at the firing temperature (hereinafter also referred to as the "holding time") is not particularly limited as long as a lithium nickel composite oxide having high crystallinity is formed, but may be, for example, 5 hours or less, and preferably 3 hours or less. The shorter the firing time, the higher the productivity. The lower limit of the firing time may be, for example, 2.5 hours or more.
焼成時の雰囲気は、大気雰囲気以上の酸素濃度を有する酸化性雰囲気であることが好ましく、酸素濃度が80容量%以上の雰囲気とすることがより好ましく、酸素濃度が100容量%であってもよい。すなわち、焼成時の雰囲気は、酸素気流中で行なうことが好ましい。酸素濃度が80容量%未満である場合、ニッケル複合酸化物とリチウム化合物の反応に必要な量の酸素を供給できず、リチウムニッケル複合酸化物が十分に形成されない場合がある。 The atmosphere during firing is preferably an oxidizing atmosphere having an oxygen concentration equal to or higher than that of the air atmosphere, more preferably an atmosphere having an oxygen concentration of 80% by volume or more, and may be 100% by volume. In other words, the atmosphere during firing is preferably an oxygen stream. If the oxygen concentration is less than 80% by volume, it may be impossible to supply the amount of oxygen necessary for the reaction between the nickel composite oxide and the lithium compound, and the lithium nickel composite oxide may not be sufficiently formed.
焼成炉としては、特に限定されず、酸素気流中で加熱できるものであればよく、縦型炉、回転炉床炉及びローラーハースキルンなどを用いることができる。これらの中でも、設備投資とランニングコストの観点から、ローラーハースキルンを用いることが好ましい。 There are no particular limitations on the firing furnace, and any furnace capable of heating in an oxygen stream may be used, including vertical furnaces, rotary hearth furnaces, and roller hearth kilns. Of these, it is preferable to use a roller hearth kiln from the standpoint of capital investment and running costs.
(リチウムニッケル複合酸化物の処理工程S40~S60)
図9は、焼成後に得られたリチウムニッケル複合酸化物を処理する工程の一例を示す図である。同図に示すように、本実施形態に係る正極活物質の製造方法は、焼成工程(ステップS30)後に得られたリチウムニッケル複合酸化物(焼成物)を解砕して解砕物(リチウムニッケル複合酸化物の粉末)を得ること(解砕工程:ステップS40)と、解砕物を水洗およびろ過すること(水洗工程:ステップS50)と、水洗されたリチウムニッケル複合酸化物を乾燥すること(乾燥工程:ステップS60)と、を含んでいる。なお、本実施形態に係る正極活物質の製造方法は、上記の解砕(ステップS40)、水洗(ステップS50)、及び、乾燥工程(ステップS60)を含んでいなくともよいし、これらの3つの工程のうち、少なくとも1つの工程を含んでいてもよい。以下、各工程について説明する。
(Lithium nickel composite oxide treatment steps S40 to S60)
FIG. 9 is a diagram showing an example of a process for treating the lithium nickel composite oxide obtained after calcination. As shown in the figure, the method for producing a positive electrode active material according to this embodiment includes crushing the lithium nickel composite oxide (calcined product) obtained after the calcination process (step S30) to obtain a crushed product (lithium nickel composite oxide powder) (crushing process: step S40), washing the crushed product with water and filtering it (water washing process: step S50), and drying the washed lithium nickel composite oxide (drying process: step S60). The method for producing a positive electrode active material according to this embodiment does not need to include the above-mentioned crushing (step S40), water washing (step S50), and drying process (step S60), or may include at least one of these three processes. Each process will be described below.
(解砕工程:ステップS40)
焼成(ステップS30)後に得られたリチウムニッケル複合酸化物(焼成物)は、さらに解砕してもよい(ステップS40)。解砕により、凝集又は軽度の焼結が生じているリチウムニッケル複合酸化物の二次粒子同士を分離し、得られる正極活物質の平均粒径や粒度分布を好適な範囲に調整することができる。また、得られる焼成物は、焼成時の焼成反応で粒子間の結合が生じるので、解砕(ステップS40)することが好ましい。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキングなどにより生じた複数の二次粒子からなる凝集体に、機械的エネルギーを投入して、二次粒子自体をほとんど破壊することなく分離させて、凝集体をほぐす操作をいう。
(Crushing process: step S40)
The lithium nickel composite oxide (calcined product) obtained after the calcination (step S30) may be further crushed (step S40). By crushing, secondary particles of the lithium nickel composite oxide in which aggregation or slight sintering has occurred can be separated from each other, and the average particle size and particle size distribution of the obtained positive electrode active material can be adjusted to a suitable range. In addition, since the obtained calcined product generates bonds between particles during the calcination reaction, it is preferable to crush it (step S40). Note that, the crushing refers to an operation of inputting mechanical energy into an aggregate consisting of a plurality of secondary particles generated by sintering necking between secondary particles during calcination, separating the secondary particles themselves almost without destroying them, and loosening the aggregates.
解砕の方法としては、公知の手段を用いることができ、たとえば、ピンミルやハンマーミル、分級機能付きの解砕機などを使用することができる。なお、この際、二次粒子を破壊しないように解砕力を適切な範囲に調整することが好ましい。 As a method of crushing, known means can be used, such as a pin mill, a hammer mill, or a crusher with a classification function. In this case, it is preferable to adjust the crushing force to an appropriate range so as not to destroy the secondary particles.
(水洗工程:ステップS50)
次いで、得られた解砕物を水洗してもよい(ステップS50)。リチウムニッケル複合酸化物(解砕物)を水洗することで、リチウムニッケル複合酸化物粒子表面の余剰のリチウムや不純物が除去され、より高容量で熱安定性が高いリチウムイオン二次電池用正極活物質を得ることができる。ここで、水洗方法としては、特に限定されず、公知の技術が用いられる。
(Water washing process: step S50)
Next, the crushed material obtained may be washed with water (step S50). By washing the lithium nickel composite oxide (crushed material) with water, excess lithium and impurities on the surface of the lithium nickel composite oxide particles are removed, and a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having a higher capacity and higher thermal stability can be obtained. Here, the washing method is not particularly limited, and a known technique can be used.
水洗方法としては、例えば、水にリチウムニッケル複合酸化物(解砕物)を投入してスラリーとし、リチウムニッケル複合酸化物の粒子表面の余剰のリチウムが十分に除去されるように、スラリーを撹拌することが好ましい。撹拌後、固液分離し、後述するように乾燥(ステップS60)して、リチウムニッケル複合酸化物を得ることができる。 As a method of washing with water, for example, it is preferable to add the lithium nickel composite oxide (crushed material) to water to make a slurry, and stir the slurry so that excess lithium on the surface of the lithium nickel composite oxide particles is sufficiently removed. After stirring, the mixture is separated into solid and liquid, and dried (step S60) as described below to obtain the lithium nickel composite oxide.
スラリー濃度としては、水1質量部に対して、好ましくはリチウムニッケル複合酸化物(解砕物)を0.5~2質量部投入することが好ましい。スラリー濃度として、水1質量部に対する解砕物の投入量が2質量部を超える場合、粘度が非常に高くなり攪拌が困難となることや、液中のアルカリが高いので平衡の関係から付着物の溶解速度が遅くなったり、剥離が起きても粉末からの分離が難しくなったりすることがある。一方、スラリー濃度として、水1質量部に対する解砕物の投入量が0.5質量部未満である場合、スラリーが希薄過ぎるためリチウムの溶出量が多く、リチウムニッケル複合酸化物(解砕物)の結晶格子中からのリチウムの脱離も起きるようになり、結晶が崩れやすくなることや、高pHの水溶液(スラリー)が大気中の炭酸ガスを吸収して、リチウムニッケル複合酸化物の表面に炭酸リチウムが再析出することがある。 As for the slurry concentration, it is preferable to add 0.5 to 2 parts by mass of the lithium nickel composite oxide (crushed material) per 1 part by mass of water. If the amount of crushed material added per 1 part by mass of water exceeds 2 parts by mass as the slurry concentration, the viscosity becomes very high and stirring becomes difficult, and the alkalinity in the liquid is high, so that the dissolution rate of the attached matter slows down due to the equilibrium relationship, and even if peeling occurs, separation from the powder may become difficult. On the other hand, if the amount of crushed material added per 1 part by mass of water as the slurry concentration is less than 0.5 parts by mass, the slurry is too dilute, so the amount of lithium eluted is large, and lithium is also released from the crystal lattice of the lithium nickel composite oxide (crushed material), making the crystals more likely to collapse, and the high pH aqueous solution (slurry) absorbs carbon dioxide gas in the air, causing lithium carbonate to be reprecipitated on the surface of the lithium nickel composite oxide.
水洗工程(ステップS50)に使用する洗浄液は、特に限定されず、例えば、水を用いてもよい。水を用いる場合、例えば、電気伝導率測定で10μS/cm未満の水が好ましく、1μS/cm以下の水がより好ましい。電気伝導率測定が10μS/cm未満の水を使用する場合、正極活物質への不純物の付着による電池性能の低下をより抑制することができる。 The cleaning liquid used in the water washing step (step S50) is not particularly limited, and may be, for example, water. When water is used, for example, water with an electrical conductivity measurement of less than 10 μS/cm is preferred, and water with an electrical conductivity measurement of 1 μS/cm or less is more preferred. When water with an electrical conductivity measurement of less than 10 μS/cm is used, it is possible to further suppress the deterioration of battery performance due to the adhesion of impurities to the positive electrode active material.
上記スラリーを固液分離する際は、リチウムニッケル複合酸化物の粒子表面に残存する付着水が少ないことが好ましい。付着水が多い場合、液中(スラリー中)に溶解したリチウムが再析出し、乾燥(ステップS60)後のリチウムニッケル複合酸化物の表面に存在するリチウム量が増加することがある。固液分離には、通常に用いられる遠心機、フィルタープレスなどが用いられる。 When subjecting the above slurry to solid-liquid separation, it is preferable that there is little water remaining on the surface of the lithium nickel composite oxide particles. If there is a lot of water remaining, lithium dissolved in the liquid (slurry) may be reprecipitated, and the amount of lithium present on the surface of the lithium nickel composite oxide after drying (step S60) may increase. For solid-liquid separation, a commonly used centrifuge, filter press, etc. may be used.
(乾燥工程:ステップS60)
水洗(ステップS50)後、乾燥してリチウムニッケル複合酸化物(正極活物質)を得てもよい(ステップS60)。乾燥条件は、リチウムニッケル複合酸化物中の水分の少なくとも一部が除去されれば、特に限定されない。乾燥工程(ステップS60)は、例えば、濾過(固液分離)後のリチウムニッケル複合酸化物(粉末)を、炭素および硫黄を含む化合物成分を含有しないガス雰囲気下、または真空雰囲気下に制御できる乾燥機を用いて、所定の温度で行なうことが好ましい。
(Drying process: step S60)
After washing with water (step S50), the lithium nickel composite oxide (positive electrode active material) may be obtained by drying (step S60). The drying conditions are not particularly limited as long as at least a part of the moisture in the lithium nickel composite oxide is removed. The drying step (step S60) is preferably performed at a predetermined temperature using a dryer that can control the lithium nickel composite oxide (powder) after filtration (solid-liquid separation) under a gas atmosphere that does not contain compound components containing carbon and sulfur, or under a vacuum atmosphere.
乾燥の温度は、80℃以上550℃以下が好ましく、120℃以上350℃以下がより好ましい。乾燥温度が80℃以上である場合、水洗(ステップS50)後の正極活物質を素早く乾燥し、粒子表面と粒子内部とでリチウム濃度の勾配が起こることを抑制することができる。一方、乾燥温度が550℃を超える場合、若干リチウムが脱離して充電状態に近い状態になっていることが予想される。そのため、リチウムが脱離したサイトを起点にリチウムニッケル複合酸化物の表面付近の結晶構造が崩れるため起点になり、二次電池における電池特性の低下を招くおそれがある。
また、乾燥温度は、生産性および熱エネルギーコストの観点から、120℃以上350℃以下がより好ましい。
The drying temperature is preferably 80°C or higher and 550°C or lower, more preferably 120°C or higher and 350°C or lower. When the drying temperature is 80°C or higher, the positive electrode active material after washing with water (step S50) can be quickly dried, and the occurrence of a gradient of lithium concentration between the particle surface and the inside of the particle can be suppressed. On the other hand, when the drying temperature exceeds 550°C, it is expected that some lithium is desorbed and the state is close to the charged state. Therefore, the crystal structure near the surface of the lithium nickel composite oxide collapses from the site where lithium is desorbed, which may cause a decrease in the battery characteristics in the secondary battery.
Moreover, the drying temperature is more preferably 120° C. or higher and 350° C. or lower from the viewpoints of productivity and heat energy costs.
(4)正極活物質
上記した正極活物質の製造方法により、非常に短時間の焼成で、結晶性に優れるリチウムニッケル複合酸化物(正極活物質)を生産性高く得ることができる。以下、本製造方法により得られるリチウムニッケル複合酸化物(正極活物質)の特性について説明する。
(4) Positive electrode active material The above-mentioned method for producing a positive electrode active material can produce a lithium nickel composite oxide (positive electrode active material) with excellent crystallinity with high productivity by firing in a very short time. The characteristics of the lithium nickel composite oxide (positive electrode active material) obtained by this production method will be described below.
(組成)
リチウムニッケル複合酸化物は、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とコバルト(Co)と任意の元素(M)とを含み、各金属元素のモル比が、Li:Ni:Co:M=s:(1-x-y):x:y(ただし、0.93<s<1.03、0.00≦x≦0.35、0.03≦y≦0.35、Mは1種類以上の遷移金属、アルカリ土類金属、卑金属、または、半金属)で表される。
(composition)
The lithium nickel composite oxide contains lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and an arbitrary element (M), and the molar ratio of each metal element is expressed as Li:Ni:Co:M=s:(1-xy):x:y (where 0.93<s<1.03, 0.00≦x≦0.35, 0.03≦y≦0.35, and M is one or more of a transition metal, an alkaline earth metal, a base metal, or a semimetal).
(リチウム席占有率)
リチウムニッケル複合酸化物は、例えば、X線回折パターンのリートベルト解析から得られるリチウム主体層である3aサイトのリチウム席占有率が95%以上であり、好ましくは96%以上であり、より好ましくは97%以上である。リチウム席占有率が上記範囲である場合、焼成工程(ステップS30)において、前駆体とリチウム化合物との焼結反応が十分に行われており、リチウムニッケル複合酸化物が高い結晶性を有することを示す。結晶性の高いリチウムニッケル複合酸化物を二次電池の正極活物質として用いた場合、優れた電池特性(高い電池容量等)を示す。
(Lithium seat occupancy rate)
The lithium nickel composite oxide has a lithium site occupancy rate of 95% or more, preferably 96% or more, and more preferably 97% or more, of the 3a site, which is a lithium-dominated layer obtained by Rietveld analysis of an X-ray diffraction pattern. When the lithium site occupancy rate is within the above range, the sintering reaction between the precursor and the lithium compound is sufficiently carried out in the firing step (step S30), and the lithium nickel composite oxide has high crystallinity. When a lithium nickel composite oxide with high crystallinity is used as a positive electrode active material for a secondary battery, it shows excellent battery characteristics (high battery capacity, etc.).
(溶出リチウム量)
リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムニッケル複合酸化物を水に分散させた際に水に溶出するリチウム量(溶出リチウム量)が、リチウムニッケル複合酸化物全量に対して、例えば、0.11質量%以下であり、好ましくは0.10質量%以下であり、より好ましくは0.05質量%以下である。なお、溶出リチウム量は、中和滴定法により測定することができる。なお、水洗工程(ステップS50)を行う場合、溶出リチウム量は、水洗(ステップS50)及び乾燥(ステップS60)後に得られたリチウムニッケル複合酸化物を用いて測定した値である。
(amount of dissolved lithium)
The lithium nickel composite oxide has an amount of lithium eluted into water when the lithium nickel composite oxide is dispersed in water (amount of eluted lithium) of, for example, 0.11% by mass or less, preferably 0.10% by mass or less, and more preferably 0.05% by mass or less, based on the total amount of the lithium nickel composite oxide. The amount of eluted lithium can be measured by neutralization titration. When the water washing step (step S50) is performed, the amount of eluted lithium is a value measured using the lithium nickel composite oxide obtained after the water washing (step S50) and drying (step S60).
溶出リチウムは、リチウムニッケル複合酸化物(正極活物質)の粒子表面に存在する、未反応のリチウム化合物や、結晶中に過剰に存在するリチウム等に由来すると考えられる。すなわち、溶出リチウム量は、原料に由来する未反応のリチウム化合物の残存量を示す指標の一つとして用いることができ、溶出リチウム量が少ないほど、未反応のリチウム化合物の残存量が少なく、前駆体とリチウム化合物との焼結反応が進行しているといえる。また、溶出リチウム量が少ないほど、正極合材ペーストのゲル化を抑制することができる。 The eluted lithium is thought to originate from unreacted lithium compounds present on the particle surface of the lithium nickel composite oxide (positive electrode active material) and from excess lithium present in the crystals. In other words, the amount of eluted lithium can be used as an indicator of the remaining amount of unreacted lithium compounds originating from the raw materials, and it can be said that the smaller the amount of eluted lithium, the smaller the amount of unreacted lithium compounds remaining, and the more the sintering reaction between the precursor and the lithium compounds has progressed. In addition, the smaller the amount of eluted lithium, the more it is possible to suppress gelling of the positive electrode composite paste.
なお、溶出リチウム量は、リチウムニッケル複合酸化物15gを75mlの純水に分散させた後、10分間静置させ、上澄み液10mlを50mlの純水で希釈して、水に溶出したリチウム量(溶出リチウム量)を中和滴定法により、1mol/リットルの塩酸を加えて測定することにより、算出される値である。 The amount of eluted lithium is calculated by dispersing 15 g of lithium nickel composite oxide in 75 ml of pure water, leaving it to stand for 10 minutes, diluting 10 ml of the supernatant with 50 ml of pure water, and measuring the amount of lithium eluted in the water (amount of eluted lithium) by neutralization titration with the addition of 1 mol/L hydrochloric acid.
(初期充放電効率)
リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いて作製された評価用の2032型コイン型電池CBA(図9参照)における、初期充放電効率(初期放電容量/初期充電容量)は、例えば、85%以上であり、好ましくは89%以上、より好ましくは89.5%以上である。初期充放電効率が上記範囲である場合、焼成工程(ステップS30)において、前駆体とリチウム化合物との焼結反応が十分に行われており、リチウムニッケル複合酸化物が高い結晶性を有することを示す。なお、初期放電容効率は、実施例で使用したコイン型電池CBAを製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を測定した値である。
(Initial charge/discharge efficiency)
The initial charge-discharge efficiency (initial discharge capacity/initial charge capacity) of the 2032-type coin battery CBA (see FIG. 9) for evaluation, which is produced using lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material, is, for example, 85% or more, preferably 89% or more, and more preferably 89.5% or more. When the initial charge-discharge efficiency is within the above range, the sintering reaction between the precursor and the lithium compound is sufficiently carried out in the firing step (step S30), and the lithium nickel composite oxide has high crystallinity. The initial discharge capacity efficiency is a value measured by leaving the coin battery CBA used in the examples for about 24 hours after production, charging it to a cutoff voltage of 4.3 V with a current density of 0.1 mA/cm 2 to the positive electrode after the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) has stabilized, and discharging it to a cutoff voltage of 3.0 V after a 1-hour pause.
(5)リチウムイオン二次電池
以下に説明するリチウムイオン二次電池は、正極、負極、および非水系電解質から構成されている。正極は、上述の製造方法で得られた正極活物質を用いて得られる。なお、上記以外の二次電池は、例えば、正極、負極、セパレータおよび非水系電解液を備えてもよく、正極、負極、および固体電解質を備えてもよい。また、二次電池は、公知のリチウムイオン二次電池と同様の構成要素により構成されてもよい。
以下、非水系電解液を用いた二次電池の各構成材料と、その製造方法について説明する。
(5) Lithium-ion secondary battery The lithium-ion secondary battery described below is composed of a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode is obtained by using the positive electrode active material obtained by the above-mentioned manufacturing method. Note that secondary batteries other than the above may include, for example, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte, or may include a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte. In addition, the secondary battery may be composed of the same components as known lithium-ion secondary batteries.
Hereinafter, each of the constituent materials of a secondary battery using a non-aqueous electrolyte solution and a method for producing the same will be described.
(正極)
正極は、上記の正極活物質を用いて構成される。
まず、上記の正極活物質、導電材、及びバインダー(結着剤)を混合し、さらに必要に応じて活性炭や、粘度調整等の用途の溶剤を添加し、これを混錬して正極合材ペーストを作製する。なお、正極合材ペーストの構成材料は、特に限定されず、公知の正極合材ペーストと同等なものを用いてもよい。
正極合材ペースト中のそれぞれの材料の混合比は、特に限定されず、要求される二次電池の性能に応じて、適宜、調整される。材料の混合比は、公知の二次電池の正極合材ペーストと同様の範囲とすることができ、例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、正極活物質の含有量を60質量部以上95質量部以下とし、導電材の含有量を1質量部以上20質量部以下とし、バインダーの含有量を1質量部以上20質量部以下としてもよい。
導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)や、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などを用いることができる。
バインダー(結着剤)は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。
なお、必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、バインダー(結着剤)を溶解する溶剤を正極合材ペーストに添加してもよい。溶剤としては、具体的には、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の有機溶剤を用いてもよい。また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加してもよい。
次いで、得られた正極合材ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させて、シート状の正極を作製する。必要に応じ、電極密度を高めるため、ロールプレス等により加圧してもよい。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等をして、電池の作製に供することができる。
(Positive electrode)
The positive electrode is formed using the positive electrode active material described above.
First, the positive electrode active material, conductive material, and binder are mixed, and activated carbon and a solvent for viscosity adjustment, etc. are added as necessary, and the mixture is kneaded to prepare a positive electrode composite paste. Note that the constituent materials of the positive electrode composite paste are not particularly limited, and materials equivalent to known positive electrode composite pastes may be used.
The mixing ratio of each material in the positive electrode composite paste is not particularly limited and is appropriately adjusted according to the required performance of the secondary battery. The mixing ratio of the materials can be in the same range as that of the positive electrode composite paste of a known secondary battery. For example, when the total mass of the solid content of the positive electrode composite excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material may be 60 parts by mass or more and 95 parts by mass or less, the content of the conductive material may be 1 part by mass or more and 20 parts by mass or less, and the content of the binder may be 1 part by mass or more and 20 parts by mass or less.
As the conductive agent, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), acetylene black, Ketjen black, and other carbon black-based materials can be used.
The binder serves to bind the active material particles together, and examples of the binder that can be used include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose-based resin, and polyacrylic acid.
If necessary, a solvent for dispersing the positive electrode active material, conductive material, and activated carbon and dissolving the binder may be added to the positive electrode mixture paste. Specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) may be used as the solvent. Activated carbon may be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
Next, the obtained positive electrode composite paste is applied to the surface of a current collector made of, for example, aluminum foil, dried, and the solvent is removed to prepare a sheet-shaped positive electrode. If necessary, pressure may be applied by a roll press or the like to increase the electrode density. The sheet-shaped positive electrode can be cut to an appropriate size according to the desired battery and used to prepare the battery.
(負極)
負極には、金属リチウムやリチウム合金等を用いてもよい。また、負極には、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを用いてもよい。
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。負極結着剤としては、正極同様、PVDF等の含フッ素樹脂等を用いることができる。また、これらの活物質および結着剤を分散させる溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode may be made of metallic lithium, a lithium alloy, etc. The negative electrode may be made by mixing a binder with a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions, adding an appropriate solvent to the negative electrode mixture to make a paste, applying the paste to the surface of a metal foil current collector such as copper, drying the paste, and compressing the paste to increase the electrode density as necessary.
As the negative electrode active material, for example, natural graphite, artificial graphite, a calcined organic compound such as phenolic resin, or a powder of a carbon material such as coke can be used. As the negative electrode binder, a fluorine-containing resin such as PVDF can be used, as in the positive electrode. As the solvent for dispersing these active materials and binders, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
(セパレータ)
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(Separator)
A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and retains the electrolyte. A thin membrane made of polyethylene, polypropylene, or the like and having many minute pores can be used as the separator.
(非水系電解質)
非水系電解質としては、例えば非水系電解液を用いることができる。
非水系電解液としては、例えば支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものを用いることができる。また、非水系電解液として、イオン液体にリチウム塩が溶解したものを用いてもよい。なお、イオン液体とは、リチウムイオン以外のカチオンおよびアニオンから構成され、常温でも液体状の塩をいう。
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートおよびトリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネートや、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらにテトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランおよびジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチルなどのリン化合物等から選ばれる1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いることもできる。
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、およびそれらの複合塩などを用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤などを含んでいてもよい。
また、非水系電解質としては、固体電解質を用いてもよい。固体電解質は、高電圧に耐えうる性質を有する。固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質が挙げられる。
無機固体電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が挙げられる。
酸化物系固体電解質としては、特に限定されず、例えば酸素(O)を含有し、かつリチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものを好適に用いることができる。酸化物系固体電解質としては、例えば、リン酸リチウム(Li3PO4)、Li3PO4NX、LiBO2NX、LiNbO3、LiTaO3、Li2SiO3、Li4SiO4-Li3PO4、Li4SiO4-Li3VO4、Li2O-B2O3-P2O5、Li2O-SiO2、Li2O-B2O3-ZnO、Li1+XAlXTi2-X(PO4)3(0≦X≦1)、Li1+XAlXGe2-X(PO4)3(0≦X≦1)、LiTi2(PO4)3、Li3XLa2/3-XTiO3(0≦X≦2/3)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3.6Si0.6P0.4O4等から選択された1種類以上を用いることができる。
硫化物系固体電解質としては、特に限定されず、例えば硫黄(S)を含有し、かつリチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものを好適に用いることができる。硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-B2S3、Li3PO4-Li2S-Si2S、Li3PO4-Li2S-SiS2、LiPO4-Li2S-SiS、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5等から選択された1種類以上を用いることができる。
有機固体電解質としては、イオン伝導性を示す高分子化合物であれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などを用いることができる。また、有機固体電解質は、支持塩(リチウム塩)を含んでいてもよい。
(Non-aqueous electrolyte)
As the non-aqueous electrolyte, for example, a non-aqueous electrolytic solution can be used.
As the non-aqueous electrolyte, for example, a solution in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent can be used. Alternatively, as the non-aqueous electrolyte, a solution in which a lithium salt is dissolved in an ionic liquid can be used. Note that the ionic liquid refers to a salt that is composed of cations and anions other than lithium ions and is liquid even at room temperature.
The organic solvent may be one selected from cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate; ether compounds such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and dimethoxyethane; sulfur compounds such as ethyl methyl sulfone and butane sultone; and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate. Two or more of these organic solvents may be used alone or in combination.
The supporting salt may be LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , or a composite salt thereof. Furthermore, the non-aqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
The non-aqueous electrolyte may be a solid electrolyte. The solid electrolyte has a property of being able to withstand high voltage. Examples of the solid electrolyte include inorganic solid electrolytes and organic solid electrolytes.
Examples of the inorganic solid electrolyte include oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes.
The oxide-based solid electrolyte is not particularly limited, and for example, one that contains oxygen (O) and has lithium ion conductivity and electronic insulation properties can be suitably used. Examples of oxide-based solid electrolytes include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), Li 3 PO 4 N x , LiBO 2 N x , LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 2 SiO 3 , Li 4 SiO 4 -Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 -Li 3 VO 4 , Li 2 O-B 2 O 3 -P 2 O 5 , Li 2 O-SiO 2 , Li 2 O-B 2 O 3 -ZnO, Li 1+X Al X Ti 2-X (PO 4 ) 3 (0≦X≦1), Li 1+X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 (0≦ X ≦ 1 ), LiTi2 ( PO4 ) 3 , Li3XLa2 /3-XTiO3 ( 0 ≦ X ≦ 2 / 3 ) , Li5La3Ta2O12 , Li7La3Zr2O12 , Li6BaLa2Ta2O12, Li3.6Si0.6P0.4O4 , and the like can be used.
The sulfide-based solid electrolyte is not particularly limited, and for example, one that contains sulfur (S) and has lithium ion conductivity and electronic insulation properties can be suitably used. As the sulfide-based solid electrolyte, for example, one or more types selected from Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 2 S-B 2 S 3 , Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 and the like can be used.
The organic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymer compound exhibiting ion conductivity, and examples of the organic solid electrolyte that can be used include polyethylene oxide, polypropylene oxide, copolymers thereof, etc. The organic solid electrolyte may also contain a supporting salt (lithium salt).
(電池の形状、構成)
以上の正極、負極、及び、非水系電解質で構成されるリチウムイオン二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、リチウムイオン二次電池を完成させる。なお、固体電解質を採用する場合、固体電解質がセパレータを兼ねていてもよい。
(Battery shape and configuration)
The shape of the lithium ion secondary battery composed of the above positive electrode, negative electrode, and non-aqueous electrolyte can be various, such as a cylindrical type, a laminated type, etc. Regardless of the shape, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte solution, the positive electrode current collector and the positive electrode terminal connected to the outside, and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal connected to the outside are connected using a current collector lead or the like, and the battery is sealed in a battery case to complete the lithium ion secondary battery. In addition, when a solid electrolyte is used, the solid electrolyte may also serve as a separator.
(6)リチウムイオン二次電池の実施例
以下、図示のホッパー50および焼成装置1を用いて得た正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の実施例を説明する。
前記(4)の正極活物質およびこの正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池について、その性能(ペーストの安定性、初期放電容量、正極抵抗、放電容量維持率)を測定した。なお、本実施例では、複合水酸化物製造、正極活物質および二次電池の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。
(6) Example of Lithium Ion Secondary Battery Hereinafter, an example of a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material obtained using the illustrated
The performance (stability of paste, initial discharge capacity, positive electrode resistance, discharge capacity retention rate) of the positive electrode active material of (4) and the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material was measured. In this example, each sample of special grade reagents manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used for the production of the composite hydroxide, the positive electrode active material, and the secondary battery.
(評価用二次電池の製造および評価)
以下の方法により2032型のコイン型電池CBA(図10参照)を作製し、正極活物質の電池特性の評価を行った。
(Production and Evaluation of Evaluation Secondary Batteries)
A 2032-type coin-type battery CBA (see FIG. 10) was produced by the following method, and the battery characteristics of the positive electrode active material were evaluated.
(コイン型電池の作製)
正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して正極PE(評価用電極)を作製した。その作製した正極PEを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。乾燥した正極D1、負極D3、セパレータD2、および、電解液を用いて、図8に示すコイン型電池CBAを、露点が-80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
負極D3には、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用い、電解液には、1MのLiPF6を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。セパレータD2には膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。また、コイン型電池CBAは、ガスケットD4とウェーブワッシャーを有し、正極缶D5と負極缶D6とでコイン状の電池に組み立てられた。
(Preparation of coin cell battery)
52.5 mg of the positive electrode active material, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) were mixed and pressed at a pressure of 100 MPa to a diameter of 11 mm and a thickness of 100 μm to prepare a positive electrode PE (electrode for evaluation). The prepared positive electrode PE was dried in a vacuum dryer at 120 ° C. for 12 hours. Using the dried positive electrode D1, negative electrode D3, separator D2, and electrolyte, a coin-type battery CBA shown in FIG. 8 was prepared in a glove box in an Ar atmosphere with a dew point controlled at −80 ° C.
For the negative electrode D3, a negative electrode sheet was used in which graphite powder with an average particle size of about 20 μm and polyvinylidene fluoride were applied to copper foil, punched into a disk shape with a diameter of 14 mm, and an equal mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) with 1M LiPF 6 as the supporting electrolyte (manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) was used. For the separator D2, a polyethylene porous film with a film thickness of 25 μm was used. In addition, the coin-type battery CBA had a gasket D4 and a wave washer, and was assembled into a coin-shaped battery with a positive electrode can D5 and a negative electrode can D6.
(初期放電容量)
初期放電容量は、コイン型電池CBAを製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
(Initial discharge capacity)
The initial discharge capacity was determined by leaving the coin-type battery CBA for about 24 hours after production, and after the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) was stabilized, charging the battery with a current density of 0.1 mA/cm2 to a cut-off voltage of 4.3 V to the positive electrode, resting for 1 hour, and discharging the battery to a cut-off voltage of 3.0 V. The capacity was defined as the initial discharge capacity.
(溶出リチウム滴定)
得られたリチウムニッケル複合酸化物(正極活物質)15gを75mlの純水に分散させた後、10分間静置させ、上澄み液10mlを50mlの純水で希釈して、水に溶出したリチウム量(溶出リチウム量)を中和滴定法により、1mol/リットルの塩酸を加えて測定した。
(Lithium dissolution titration)
15 g of the obtained lithium nickel composite oxide (positive electrode active material) was dispersed in 75 ml of pure water, and then the dispersion was left to stand for 10 minutes. 10 ml of the supernatant was diluted with 50 ml of pure water, and the amount of lithium dissolved in the water (amount of dissolved lithium) was measured by neutralization titration by adding 1 mol/L of hydrochloric acid.
(リチウム含有量)
リチウム含有量は、各金属元素を分析し、リチウムとその他の金属との比(Li/Me比)を算出した。
各金属元素の分析は、ICPを用い、分析試料は各実施例および比較例の焼成物を溶解したものを用いた。
(Lithium content)
The lithium content was determined by analyzing each metal element and calculating the ratio of lithium to other metals (Li/Me ratio).
The analysis of each metal element was carried out using ICP, and the analytical samples were prepared by dissolving the fired products of each of the Examples and Comparative Examples.
(実施例1)
組成比がNi:Co:Al=88:9:3のニッケル複合水酸化物をロータリーキルンで酸化焙焼して得られたニッケル複合酸化物と水分率が1.5%以下でトータルカーボンが1.0%以下の水酸化リチウムを、Li/Me比が1.03になるように混合し、リチウム混合物(これが被焼成物となる)を作製した。作製したリチウム混合物の安息角の最大値は、65°であった。
このリチウム混合物を焼成装置1(図5および図6)を用いて焼成して焼成物とした。用いたホッパー50は図1に示すもので、内部コーン71の下端とコーン部52の下端との間の落下距離hが1000mmであり、内部コーン71の開き角aおよびコーン部52の開き角aが40°のもので、SUS304製である。リチウム混合物48kgをこのホッパー50から充填機を用いて4kgずつ箱型のセッターSに充填し、焼成炉2(ローラーハースキルン)を用いて760℃で焼成し、12個の焼成物を得た。
この実施例1では、コーン部52の内面に20mm程度厚みの小さな固化層が形成されたが、ホッパー50に設置されたブリッジブレーカーによる加振により固化層が破壊され、リチウム混合物の全量が排出された。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。
上記12個の焼成物をそれぞれ1mm以下に解砕し、12個それぞれのリチウム含有量を分析した。また、得られた正極活物質12個とこの12個を混合均一化したものでコイン型電池作成し、初期放電容量を測定した。焼成物のLi/Me比と初期放電容量の値を表2に示す。
Example 1
A nickel composite oxide obtained by oxidizing and roasting a nickel composite hydroxide having a composition ratio of Ni:Co:Al=88:9:3 in a rotary kiln was mixed with lithium hydroxide having a moisture content of 1.5% or less and a total carbon content of 1.0% or less so that the Li/Me ratio was 1.03 to prepare a lithium mixture (which becomes the material to be fired). The maximum angle of repose of the prepared lithium mixture was 65°.
This lithium mixture was sintered using a sintering device 1 (FIGS. 5 and 6) to obtain a sintered product. The
In this Example 1, a small solidified layer having a thickness of about 20 mm was formed on the inner surface of the
The twelve pieces of the fired material were crushed to 1 mm or less, and the lithium content of each of the twelve pieces was analyzed. The twelve pieces of the obtained positive electrode active material and the twelve pieces were mixed and homogenized to prepare a coin-type battery, and the initial discharge capacity was measured. The Li/Me ratio and the initial discharge capacity of the fired material are shown in Table 2.
(実施例2)
ホッパー50のコーン部52および内部コーン71の開き角aを30°とした以外は実施例1と同様にした。ホッパー50の内に固化層は確認されず、リチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
Example 2
The same procedure was followed as in Example 1, except that the opening angle a of the
(実施例3)
内部コーン71の下端とコーン部52の下端との距離を700mmとした以外は実施例2と同様にした。ホッパー50内に固化層は確認されず、自然にリチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
Example 3
The same procedure was followed as in Example 2, except that the distance between the bottom end of the
(実施例4)
ニッケル複合酸化物の組成比をNi:Co:Al=91:4:5、Li/Me比を1.02、焼成温度を745℃としたこと以外は、実施例1と同様にした。作製したリチウム混合物の安息角の最大値は、63°であった。コーン部52の内面には15mm程度の厚みの固化層が形成され、最終的にホッパーに設置されたブリッジブレーカーによる加振により固化層が破壊され、リチウム混合物の全量が排出された。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
Example 4
The composition ratio of the nickel composite oxide was Ni:Co:Al=91:4:5, the Li/Me ratio was 1.02, and the sintering temperature was 745°C, but the same as in Example 1. The maximum angle of repose of the lithium mixture produced was 63°. A solidified layer with a thickness of about 15 mm was formed on the inner surface of the
(実施例5)
ホッパー50のコーン部52および内部コーン71の開き角を30°とした以外は実施例4と同様にした。コーン部52内に固化層は確認されず、自然にリチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
Example 5
The same procedure was followed as in Example 4, except that the opening angle of the
(実施例6)
内部コーン71の下端とコーン部52の下端の距離を700mmとした以外は実施例5と同様にした。コーン部52内に固化層は確認されず、自然にリチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
Example 6
The same procedure was followed as in Example 5, except that the distance between the bottom end of the
(比較例1)
ホッパー50内に設置したコーン部52の開き角を50°とした以外は実施例1と同様にした。コーン部52の上部には150mm程度厚みの固化層が形成され、最終的に固化層がブリッジブレーカーにより破壊されリチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
(Comparative Example 1)
The same procedure was followed as in Example 1, except that the opening angle of the
(比較例2)
ホッパー50内に設置したコーン部52および内部コーン71の開き角を50°とした以外は実施例4と同様にした。コーン部52の上部には140mm程度厚みの固化層が形成され、最終的に固化層がブリッジブレーカーにより破壊されリチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
(Comparative Example 2)
The same procedure was followed as in Example 4, except that the opening angle of the
(比較例3)
ホッパー50内に内部コーン71を設置しなかったこと以外は実施例1と同様にした。ホッパー50内のリチウム混合物の投入落差は、ホッパー全高の1960mmであった。ホッパー50の内面には20mm程度厚みの固化層が形成され、最終的にホッパーに設置されたブリッジブレーカーによる加振により固化層が破壊され、リチウム混合物の全量が排出された。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
(Comparative Example 3)
The same procedure was followed as in Example 1, except that the
(比較例4)
ホッパー50内に内部コーン71を設置しなかったこと以外は実施例4と同様にした。ホッパー50内のリチウム混合物の投入落差は、ホッパー全高の1960mmであった。ホッパー50の内面には15mm程度厚みの固化層が形成され、最終的にホッパーに設置されたブリッジブレーカーによる加振により固化層が破壊され、リチウム混合物の全量が排出された。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
(Comparative Example 4)
The same procedure was followed as in Example 4, except that the
(比較例5)
内部コーン71の下端とコーン部52の下端との距離を1100mmとした以外は実施例1と同様にした。ホッパーの内に固化層は確認されず、自然にリチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
(Comparative Example 5)
The same procedure was followed as in Example 1, except that the distance between the bottom end of the
(比較例6)
内部コーン71の下端とコーン部52の下端との距離を1100mmとした以外は実施例4と同様にした。ホッパーの内に固化層は確認されず、自然にリチウム混合物の全量を排出することができた。固化層の発生の有無と混合比のバラツキに関する評価を表1に示す。焼成物のLi/Me比と初期放電容量を表2に示す。
(Comparative Example 6)
The same procedure was followed as in Example 4, except that the distance between the bottom end of the
(評価結果)
(1)焼成物のLi/Me比のバラツキ
実施例1~6は、ホッパー50のコーン部52および内部コーン71の開き角aがa≦180-2b-10の角度になっていることで固化層が形成されにくくなっており、また、ホッパー内の落下距離hが1000mm以下であることにより、リチウム混合物の投入落差が小さくなって、焼成物のLi/Me比のバラツキが小さくなっており、均質で高い電池特性の正極活物質が得られている。
一方、比較例1および2は、コーン部52の開き角aが大きいため、厚い固化層が形成され、その結果、焼成物のLi/Me比のバラツキが大きくなっている。また、比較例3および4は、ホッパー50内に内部コーン71を設置しなかったため、ホッパー50に投入する際のリチウム混合物の落差が大きくなっており、それによって、Li/Me比のバラツキが大きくなっている。また、比較例5および6は、内部コーン71の下端とコーン部52の下端との距離が1000mmを超えたため、焼成物のコーン部52への落差が大きくなっており、それによって、焼成物のLi/Me比のバラツキが大きくなっている。
(Evaluation Results)
(1) Variation in Li/Me ratio of the fired product In Examples 1 to 6, the opening angle a of the
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the opening angle a of the
(2)初期放電容量
組成比が共通する実施例と比較例で対比する。
Ni:Co:Alが88:9:3である実施例1~3と比較例1,3,5とを対比する。
実施例1~3は、焼成物のLi/Me比のバラツキが小さくなったことから、初期放電容量が210.4~211.2である。これに対し、比較例1は、Li/Me比のバラツキが大きくなったことから、初期放電容量は205.8であり、比較例3は、リチウム混合物の落差が大きくなったことから、Li/Me比のバラツキが大きくなり、初期放電容量が209.8であり、比較例5は、内部コーン71からコーン部52への落差が大きくなっており、それによって、Li/Me比のバラツキが大きくなったことから、初期放電容量は209.9である。このように、実施例1~3の方が高い初期放電容量を達成している。
(2) Initial Discharge Capacity A comparison is made between an example and a comparative example having a common composition ratio.
Examples 1 to 3 in which Ni:Co:Al is 88:9:3 are compared with Comparative Examples 1, 3, and 5.
In Examples 1 to 3, the variation in the Li/Me ratio of the fired product was reduced, and therefore the initial discharge capacity was 210.4 to 211.2. In contrast, in Comparative Example 1, the variation in the Li/Me ratio was increased, and therefore the initial discharge capacity was 205.8. In Comparative Example 3, the difference in the lithium mixture was increased, and therefore the variation in the Li/Me ratio was increased, and therefore the initial discharge capacity was 209.8. In Comparative Example 5, the difference in the Li/Me ratio from the
Ni:Co:Alが、91:4:5である実施例4~7と比較例2,4,6とを対比する。
実施例4~7は、焼成物のLi/Me比のバラツキが小さくなったことから、初期放電容量が213.5~214.0である。これに対し、比較例2は、Li/Me比のバラツキが大きくなったことから、初期放電容量は、209.3であり、比較例4は、リチウム混合物の落差が大きくなったことから、Li/Me比のバラツキが大きくなり、初期放電容量は212.6であり、比較例6は、内部コーン71からコーン部52への落差が大きくなっており、それによって、Li/Me比のバラツキが大きくなったことから、初期放電容量は213.0である。このように、実施例4~7の方が高い初期放電容量を達成している。
Examples 4 to 7 in which the Ni:Co:Al ratio is 91:4:5 are compared with Comparative Examples 2, 4, and 6.
In Examples 4 to 7, the variation in the Li/Me ratio of the fired product was reduced, and therefore the initial discharge capacity was 213.5 to 214.0. In contrast, in Comparative Example 2, the variation in the Li/Me ratio was increased, and therefore the initial discharge capacity was 209.3. In Comparative Example 4, the difference in the lithium mixture was increased, and therefore the variation in the Li/Me ratio was increased, and therefore the initial discharge capacity was 212.6. In Comparative Example 6, the difference in the Li/Me ratio from the
本発明のホッパーは、複数種の粉末を混合した混合粉末原料の供給であれば、どのような混合粉末原料にも使用できる。したがって、本発明のホッパーは、二次電池用正極活物質の原料に限られず、またリチウムイオン二次電池用正極活物質の原料にも限られず使用できる。
本発明の焼成装置は、どのような被焼成物の焼成にも使用できる。したがって、本発明の焼成装置は二次電池用正極活物質の原料に限られず、またリチウムイオン二次電池用正極活物質の原料にも限られず使用できる。
The hopper of the present invention can be used for any mixed powder raw material as long as it supplies a mixed powder raw material containing a plurality of powders. Therefore, the hopper of the present invention can be used not only for raw materials for positive electrode active materials for secondary batteries, but also for raw materials for positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries.
The firing apparatus of the present invention can be used for firing any object to be fired. Therefore, the firing apparatus of the present invention can be used not only for raw materials for positive electrode active materials for secondary batteries, but also for raw materials for positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries.
1 焼成装置
2 焼成炉
5 搬送部
10 供給部
20 排出部
21 破砕機構
S セッター
50 ホッパー
51 ホッパー部
52 コーン部
53 排出部
61 仕切り板
71 内部コーン
REFERENCE SIGNS
Claims (7)
円筒状のホッパー部と、
該ホッパー部の下端に接続された円錐状のコーン部と、
前記ホッパー部の内部であって、前記コーン部の上方に設置された内部コーンと、
前記コーン部の下端に接続された排出部とからなり、
前記コーン部の開き角aおよび前記内部コーンの開き角aが、前記混合粉末原料の安息角の最大値をbとしたとき、式(1)で表わされる角度であり、
a≦180-2b-10・・・式(1)、
前記コーン部の下端と前記内部コーンの下端との間の距離が最大落下距離であって、1000mm以内に設定されている
ことを特徴とするホッパー。 A hopper for supplying a mixed powder raw material containing a nickel composite oxide and a lithium compound having different physical properties,
A cylindrical hopper portion,
A cone-shaped portion connected to a lower end of the hopper portion;
An internal cone disposed inside the hopper section and above the cone section;
A discharge portion connected to a lower end of the cone portion,
The opening angle a of the cone portion and the opening angle a of the inner cone are angles expressed by the formula (1) when the maximum value of the angle of repose of the mixed powder raw material is b,
a≦180-2b-10...Formula (1),
A hopper characterized in that the distance between the lower end of the cone portion and the lower end of the internal cone is a maximum drop distance, which is set to within 1000 mm.
前記コーン部の下段と最下段の内部コーンの下端との間の上下方向離間距離および各内部コーンの下端間の上下方向離間距離が最大落下距離であって、1000mm以内に設定されている
ことを特徴とする請求項1記載のホッパー。 The inner cone is arranged in a vertical direction in multiple stages,
2. A hopper as described in claim 1, characterized in that the vertical distance between the lower end of the cone section and the lower end of the lowest internal cone and the vertical distance between the lower ends of each internal cone are maximum fall distances, which are set to within 1000 mm.
前記各セッターに被焼成物を供給する供給部と、
前記各セッターに供給された被焼成物を焼成する焼成炉と、
前記各セッターを前記供給部から前記焼成炉に搬入し、前記焼成炉で焼成された焼成物が収容されている前記各セッターを前記焼成炉から搬出する搬送部と、
前記焼成物を前記各セッターから排出する排出部と、を備える二次電池用正極活物質の焼成装置において、
請求項1または2記載のホッパーが、前記供給部において被焼成物を供給する装置として用いられている
ことを特徴とする二次電池用正極活物質の焼成装置。 A plurality of setters in which objects to be fired are filled;
A supply unit that supplies an object to be sintered to each setter;
a firing furnace for firing the objects to be fired supplied to each setter;
a conveying section that conveys each setter from the supply section to the firing furnace and conveys each setter containing the fired product fired in the firing furnace out of the firing furnace;
a discharge section for discharging the fired material from each of the setters,
3. An apparatus for sintering a positive electrode active material for a secondary battery, comprising: a hopper according to claim 1 or 2, which is used as a device for supplying a material to be sintered in said supply section.
前記複数のセッターから除去された焼成物を破砕する破砕機構を備えている
ことを特徴とする請求項3記載の二次電池用正極活物質の焼成装置。 The discharge section is
4. The apparatus for sintering a positive electrode active material for a secondary battery according to claim 3, further comprising a crushing mechanism for crushing the sintered products removed from said plurality of setters.
かつ高温の焼成物と接触するロールを冷却する冷却機構を備えている
ことを特徴とする請求項4記載の二次電池用正極活物質の焼成装置。 The crushing mechanism is a roll crusher,
5. The apparatus for baking a positive electrode active material for a secondary battery according to claim 4 , further comprising a cooling mechanism for cooling the roll which comes into contact with the high-temperature baked material.
作業空間の酸素濃度を80%以上に維持される機構を備えている
ことを特徴とする請求項4記載の二次電池用正極活物質の焼成装置。 At least one of the supply unit, the sintering furnace, the discharge unit, or the crushing mechanism,
5. The apparatus for baking a positive electrode active material for a secondary battery according to claim 4 , further comprising a mechanism for maintaining an oxygen concentration in the working space at 80% or more.
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、それ以外の元素(M)を含み、かつ、各元素の原子数比がLi:Ni:Co:M=s:(1-x-y):x:y(ただし、0.93<s<1.03、0.00≦x≦0.35、0.03≦y≦0.35、Mは1種類以上の遷移金属、アルカリ土類金属、卑金属、または、半金属)で表わされるリチウムニッケル複合酸化物である
ことを特徴とする請求項3~6のいずれかに記載の二次電池用正極活物質の焼成装置。 The fired product is
The firing apparatus for a positive electrode active material for a secondary battery according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the lithium nickel composite oxide contains lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and another element (M), and the atomic ratio of each element is expressed as Li:Ni:Co:M=s:(1-x-y):x:y (where 0.93<s<1.03, 0.00≦x≦0.35, 0.03≦y≦0.35, and M is one or more transition metals, alkaline earth metals, base metals, or semimetals).
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