KR102758576B1 - Method for producing lithium titanium phosphate - Google Patents
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Abstract
공업적으로 유리한 방법이며, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것.
하기 일반식 (1):
로 표시되는 나시콘(NASICON) 구조를 갖는 인산티타늄리튬의 제조 방법이며, 적어도 이산화티타늄, 인산, 계면 활성제 및 용매를 함유하는 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제하는 제1 공정과, 해당 원료 혼합 슬러리 (1)을 가열 처리하여, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)를 얻는 제2 공정과, 해당 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에 리튬원을 혼합하여, 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻는 제3 공정과, 해당 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 분무 건조 처리하여, 적어도 Ti, P 및 Li를 함유하는 반응 전구체를 얻는 제4 공정과, 해당 반응 전구체를 소성하는 제5 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 인산티타늄리튬의 제조 방법.An industrially advantageous method is provided, which enables obtaining lithium titanium phosphate having a single phase by X-ray diffraction.
The following general formula (1):
A method for producing lithium titanium phosphate having a NASICON structure represented by , characterized by comprising: a first step of preparing a raw material mixture slurry (1) containing at least titanium dioxide, phosphoric acid, a surfactant, and a solvent; a second step of heat-treating the raw material mixture slurry (1) to obtain a raw material heat-treated product slurry (2); a third step of mixing a lithium source into the raw material heat-treated product slurry (2) to obtain a lithium-containing raw material heat-treated product slurry (3); a fourth step of spray-drying the lithium-containing raw material heat-treated product slurry (3) to obtain a reaction precursor containing at least Ti, P, and Li; and a fifth step of calcining the reaction precursor.
Description
본 발명은 고체 전해질로서 유용한 인산티타늄리튬의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing lithium titanium phosphate useful as a solid electrolyte.
리튬 이차 전지의 안전성을 높이는 하나의 방법으로서, 동작 온도 범위가 넓고, 대기 중에서 안정화된 산화물계 고체 전해질을 사용하는 방법이 검토되고 있다.As one method to improve the safety of lithium secondary batteries, a method of using an oxide-based solid electrolyte with a wide operating temperature range and stability in the air is being studied.
산화물계 고체 전해질로서는, 예를 들어 가닛형 산화물, NASICON형 산화물, 페로브스카이트형 산화물 등이 검토되고 있다.As oxide-based solid electrolytes, garnet-type oxides, NASICON-type oxides, and perovskite-type oxides are being studied, for example.
나시콘(NASICON) 구조를 갖는 인산티타늄리튬은 대기 중에서 안정하고, 특히 인산티타늄리튬의 티타늄 일부를 Al 원소로 치환한 인산티타늄리튬(LATP)은 리튬 이온 전도성이 높은 점에서, 고체 전해질로서 주목받고 있는 재료의 하나이다(예를 들어, 특허문헌 1 내지 4 참조).Lithium titanium phosphate having a NASICON structure is stable in the air, and in particular, lithium titanium phosphate (LATP), in which some of the titanium in lithium titanium phosphate is replaced with the Al element, is one of the materials that is attracting attention as a solid electrolyte due to its high lithium ion conductivity (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
인산티타늄리튬(LATP)의 제조 방법으로서, 예를 들어 TiO2, 리튬염, 인산염 및 산화알루미늄을 건식 혼합한 후, 가열에 의해 고상 반응을 행하는 방법(특허문헌 1 등 참조), 인산티타늄리튬(LATP)의 원료가 되는 복수의 산화물을 Ca(PO4)2와 함께 용해하여 유리화하고, 그 유리를 열처리 및 산처리하는 방법(특허문헌 3 참조), 인산티타늄리튬(LATP)의 원료가 되는 복수의 산화물을 혼합하고, 각 원료의 융점 이상의 온도에서 가열 용해하고, 이어서 자연 냉각함으로써 나시콘 구조형의 결정체를 생성하고, 해당 결정체를 분쇄하고, 이어서 소성을 행하는 방법(특허문헌 4 참조) 등이 제안되어 있다.As a method for manufacturing lithium titanium phosphate (LATP), for example, a method including dry mixing TiO 2 , a lithium salt, a phosphate, and aluminum oxide, and then performing a solid-state reaction by heating (see Patent Document 1, etc.), a method including melting a plurality of oxides to be raw materials for lithium titanium phosphate (LATP) together with Ca(PO 4 ) 2 to vitrify, and then heat-treating and acid-treating the glass (see Patent Document 3), a method including mixing a plurality of oxides to be raw materials for lithium titanium phosphate (LATP), heating and dissolving at a temperature higher than the melting point of each raw material, and then naturally cooling to generate a crystal having a NASICON structure, pulverizing the crystal, and then performing calcination (see Patent Document 4), etc. have been proposed.
그러나, 상기 고상법에서는 티타늄원과 인원이 균일하게 혼합된 원료 혼합물을 공업적으로 유리하게 얻기가 어렵고, 이 때문에,X선 회절적으로 단상인 것을 공업적으로 유리하게 얻기가 어렵다는 문제가 있고, 또한 유리화법에 의해 얻는 방법은 공정이 번잡해져 공업적으로 유리하지 않다.However, in the above-mentioned solid-state method, it is difficult to obtain a raw material mixture in which titanium and phosphorus are uniformly mixed in an industrially advantageous manner, and therefore, there is a problem in that it is difficult to obtain a single-phase material in terms of X-ray diffraction in an industrially advantageous manner, and furthermore, the method of obtaining it by the vitrification method is not industrially advantageous because the process is complicated.
따라서, 본 발명의 목적은 공업적으로 유리한 방법이며, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an industrially advantageous method capable of obtaining lithium titanium phosphate which is single-phase in terms of X-ray diffraction.
본 발명자들은 상기 실정을 감안하여 예의 연구를 거듭한 결과, 이산화티타늄, 인산 및 계면 활성제를 함유하는 혼합 슬러리 (1)을 가열 처리함으로써, 가열 처리에 의한 효과와 계면 활성제의 첨가 효과의 상승 효과로, 리튬원 첨가 후에 있어서도 분무 건조 장치 내부에서의 부착이 억제된 리튬 함유 가열 처리물 슬러리 (3)이 되는 것, 해당 리튬 함유 가열 처리물 슬러리 (3)을 분무 건조하여 얻어지는 Ti, P, Li, 추가로 M 원소를 포함하는 반응 전구체는 반응성이 우수하고, 해당 반응 전구체를 소성함으로써, 용이하게 X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬이 얻어지는 것을 알아내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.In consideration of the above circumstances, the present inventors have conducted extensive studies and, as a result, have found that by heat-treating a mixed slurry (1) containing titanium dioxide, phosphoric acid, and a surfactant, a lithium-containing heat-treated slurry (3) is obtained in which adhesion inside a spray drying apparatus is suppressed even after addition of a lithium source due to a synergistic effect of the effect of the heat treatment and the effect of adding a surfactant, and that a reaction precursor containing Ti, P, Li, and further M elements obtained by spray-drying the lithium-containing heat-treated slurry (3) has excellent reactivity and that by calcining the reaction precursor, lithium titanium phosphate having a single phase in X-ray diffraction can be easily obtained, thereby completing the present invention.
즉, 본 발명 (1)은 하기 일반식 (1):That is, the present invention (1) has the following general formula (1):
(식 중, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5이며, M은 Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 2가 또는 3가의 금속 원소를 나타낸다. A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다.)(Wherein, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5, and M represents one or more divalent or trivalent metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In, and Co. A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn, and Si.)
로 표시되는 나시콘(NASICON) 구조를 갖는 인산티타늄리튬의 제조 방법이며,A method for manufacturing lithium titanium phosphate having a NASICON structure represented by
적어도 이산화티타늄, 인산, 계면 활성제 및 용매를 함유하는 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제하는 제1 공정과,A first step of preparing a raw material mixed slurry (1) containing at least titanium dioxide, phosphoric acid, a surfactant and a solvent,
해당 원료 혼합 슬러리 (1)을 가열 처리하여, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)를 얻는 제2 공정과,A second process of heat-treating the raw material mixture slurry (1) to obtain a raw material heat-treated slurry (2),
해당 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에 리튬원을 혼합하여, 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻는 제3 공정과,A third process of mixing a lithium source into the raw material heat treatment slurry (2) to obtain a lithium-containing raw material heat treatment slurry (3),
해당 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 분무 건조 처리하여, 적어도 Ti, P 및 Li를 함유하는 반응 전구체를 얻는 제4 공정과,A fourth step of spray drying the lithium-containing raw material heat treatment slurry (3) to obtain a reaction precursor containing at least Ti, P and Li;
해당 반응 전구체를 소성하는 제5 공정Step 5 of calcining the reaction precursor
을 갖는 것을 특징으로 하는 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for producing lithium titanium phosphate, characterized by having:
또한, 본 발명 (2)는, 상기 제1 공정에 있어서, 추가로 M원(M은 Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 2가 또는 3가의 금속 원소를 나타낸다.) 및/또는 A원(A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다.)을 상기 원료 혼합 슬러리 (1)에 함유시키는 것을 특징으로 하는 (1)의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (2) provides a method for producing lithium titanium phosphate of (1), characterized in that, in the first process, an M source (M represents one or more divalent or trivalent metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In and Co) and/or an A source (A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn and Si) is additionally contained in the raw material mixed slurry (1).
또한, 본 발명 (3)은, 상기 가열 처리물 슬러리 (2) 또는 상기 리튬 함유 가열 처리물 슬러리 (3)에, 추가로 M원(M은 Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 2가 또는 3가의 금속 원소를 나타낸다.) 및/또는 A원(A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다.)을 혼합하는 것을 특징으로 하는 (1)의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (3) provides a method for producing lithium titanium phosphate of (1), characterized in that an M source (M represents one or more divalent or trivalent metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In and Co) and/or an A source (A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn and Si) is additionally mixed into the heat-treated slurry (2) or the lithium-containing heat-treated slurry (3).
또한, 본 발명 (4)는, 상기 이산화티타늄이 아나타제형인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 것의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (4) provides a method for producing lithium titanium phosphate according to any one of (1) to (3), characterized in that the titanium dioxide is in the anatase form.
또한, 본 발명 (5)는, 상기 계면 활성제가 음이온계 계면 활성제인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 것의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (5) provides a method for producing lithium titanium phosphate according to any one of (1) to (4), characterized in that the surfactant is an anionic surfactant.
또한, 본 발명 (6)은, 상기 음이온계 계면 활성제가 폴리카르복실산계 계면 활성제인 것을 특징으로 하는 (5)의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (6) provides a method for producing lithium titanium phosphate of (5), characterized in that the anionic surfactant is a polycarboxylic acid surfactant.
또한, 본 발명 (7)은, 상기 제2 공정에서의 가열 처리 온도가 50 내지 120℃인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 것의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (7) provides a method for producing lithium titanium phosphate according to any one of (1) to (6), characterized in that the heat treatment temperature in the second process is 50 to 120°C.
또한, 본 발명 (8)은, 상기 반응 전구체는, 라만 스펙트럼 분광 분석에 있어서 975㎝-1 부근에 피크가 관찰되는 것임을 특징으로 하는 (1) 내지 (7) 중 어느 것의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (8) provides a method for producing lithium titanium phosphate according to any one of (1) to (7), characterized in that the reaction precursor exhibits a peak observed at around 975 cm -1 in Raman spectrum analysis.
또한, 본 발명 (9)는, 상기 M원이 Al 함유 화합물인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (8) 중 어느 것의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (9) provides a method for producing lithium titanium phosphate according to any one of (1) to (8), characterized in that the M source is an Al-containing compound.
또한, 본 발명 (10)은, 상기 Al 함유 화합물이 중인산알루미늄인 것을 특징으로 하는 (9)의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (10) provides a method for producing lithium titanium phosphate of (9), characterized in that the Al-containing compound is aluminum phosphate.
또한, 본 발명 (11)은, 상기 M원이 Cr 함유 화합물인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (8) 중 어느 것의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (11) provides a method for producing lithium titanium phosphate according to any one of (1) to (8), characterized in that the M source is a Cr-containing compound.
또한, 본 발명 (12)는, 상기 Cr 함유 화합물이 인산크롬인 것을 특징으로 하는 (9)의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention (12) provides a method for producing lithium titanium phosphate of (9), characterized in that the Cr-containing compound is chromium phosphate.
본 발명에 따르면, 공업적으로 유리한 방법이며, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻을 수 있는 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, an industrially advantageous method can be provided for obtaining lithium titanium phosphate which is single-phase in terms of X-ray diffraction.
도 1은 실시예 1의 제4 공정에서 얻어진 반응 전구체의 X선 회절도이다.
도 2는 실시예 1의 제4 공정에서 얻어진 반응 전구체의 라만 스펙트럼이다.
도 3은 실시예 1에서 얻어진 인산티타늄리튬의 X선 회절도이다.
도 4는 실시예 1에서 얻어진 인산티타늄리튬의 SEM 사진이다.
도 5는 비교예 1에서 얻어진 부착물의 라만 스펙트럼이다.
도 6은 실시예 2에서 얻어진 인산티타늄리튬의 X선 회절도이다.
도 7은 실시예 3의 제4 공정에서 얻어진 반응 전구체의 라만 스펙트럼이다.Figure 1 is an X-ray diffraction diagram of a reaction precursor obtained in the fourth process of Example 1.
Figure 2 is a Raman spectrum of the reaction precursor obtained in the fourth process of Example 1.
Figure 3 is an X-ray diffraction diagram of lithium titanium phosphate obtained in Example 1.
Figure 4 is a SEM photograph of lithium titanium phosphate obtained in Example 1.
Figure 5 is a Raman spectrum of the attachment obtained in Comparative Example 1.
Figure 6 is an X-ray diffraction diagram of lithium titanium phosphate obtained in Example 2.
Figure 7 is a Raman spectrum of the reaction precursor obtained in the fourth process of Example 3.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법은, 하기 일반식 (1):The method for producing lithium titanium phosphate of the present invention comprises the following general formula (1):
(식 중, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5이며, M은 Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 2가 또는 3가의 금속 원소를 나타낸다. A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다.)(Wherein, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5, and M represents one or more divalent or trivalent metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In, and Co. A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn, and Si.)
로 표시되는 나시콘(NASICON) 구조를 갖는 인산티타늄리튬의 제조 방법이며,A method for manufacturing lithium titanium phosphate having a NASICON structure represented by
적어도 이산화티타늄, 인산, 계면 활성제 및 용매를 함유하는 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제하는 제1 공정과,A first step of preparing a raw material mixed slurry (1) containing at least titanium dioxide, phosphoric acid, a surfactant and a solvent,
해당 원료 혼합 슬러리 (1)을 가열 처리하여, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)를 얻는 제2 공정과,A second process of heat-treating the raw material mixture slurry (1) to obtain a raw material heat-treated slurry (2),
해당 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에 리튬원을 혼합하여, 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻는 제3 공정과,A third process of mixing a lithium source into the raw material heat treatment slurry (2) to obtain a lithium-containing raw material heat treatment slurry (3),
해당 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 분무 건조 처리하여, 적어도 Ti, P 및 Li를 함유하는 반응 전구체를 얻는 제4 공정과,A fourth step of spray drying the lithium-containing raw material heat treatment slurry (3) to obtain a reaction precursor containing at least Ti, P and Li;
해당 반응 전구체를 소성하는 제5 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 인산티타늄리튬의 제조 방법이다.A method for producing lithium titanium phosphate, characterized by having a fifth process of calcining the reaction precursor.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에 의해 얻어지는 인산티타늄리튬은, 하기 일반식 (1):The lithium titanium phosphate obtained by the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention has the following general formula (1):
(식 중, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5이며, M은 Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 2가 또는 3가의 금속 원소를 나타낸다. A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다.)(Wherein, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5, and M represents one or more divalent or trivalent metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In, and Co. A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn, and Si.)
로 표시되는 나시콘(NASICON) 구조를 갖는 인산티타늄리튬이다.It is lithium titanium phosphate having a NASICON structure represented by .
일반식 (1)의 식 중의 x는 0≤x≤1.0, 바람직하게는 0≤x≤0.7이다. y는 0≤y≤0.5, 바람직하게는 0≤y≤0.4이다. M 및/또는 A는, 예를 들어 리튬 이온 전도율 등의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 하여 필요에 따라 함유시키는 금속 원소이다. M은 2가 또는 3가의 금속 원소이며, Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소를 나타내고, Al 및/또는 Cr인 것이 바람직하다.In the general formula (1), x is 0≤x≤1.0, preferably 0≤x≤0.7. y is 0≤y≤0.5, preferably 0≤y≤0.4. M and/or A are metal elements contained as needed for the purpose of improving performance such as, for example, lithium ion conductivity. M is a divalent or trivalent metal element, and represents one or more metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In, and Co, and is preferably Al and/or Cr.
A는 4가 또는 5가의 금속 원소이며, Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소를 나타내고, Zr인 것이 바람직하다.A is a tetravalent or pentavalent metal element, and represents one or more metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn, and Si, preferably Zr.
또한, 일반식 (1)의 식 중의 x+y는 0≤x+y≤1.5, 바람직하게는 0≤x+y≤1.0인 것이 리튬 이온 전도율 등의 성능을 향상시키는 관점에서 바람직하다.In addition, in the general formula (1), it is preferable that x+y is 0≤x+y≤1.5, preferably 0≤x+y≤1.0, from the viewpoint of improving performance such as lithium ion conductivity.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에 관한 제1 공정은, 용매에 이산화티타늄, 인산 및 계면 활성제를 첨가하여 교반함으로써, 용매 중에서 이산화티타늄, 인산 및 계면 활성제를 혼합하고, 이산화티타늄, 인산 및 계면 활성제를 함유하는 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제하는 공정이다.The first step of the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention is a step of mixing titanium dioxide, phosphoric acid and a surfactant in a solvent by adding titanium dioxide, phosphoric acid and a surfactant to the solvent and stirring, thereby preparing a raw material mixed slurry (1) containing titanium dioxide, phosphoric acid and a surfactant.
제1 공정에 관한 이산화티타늄은 황산법으로 제조된 것이어도 되고, 염산법으로 제조된 것이어도 되고, 기상법으로 제조된 것이어도 되고, 혹은 다른 공지 방법으로 제조된 것이어도 되고, 이산화티타늄의 제조 방법은 특별히 제한되지 않는다.The titanium dioxide for the first process may be manufactured by a sulfuric acid method, a hydrochloric acid method, a vapor phase method, or any other known method, and the method for manufacturing the titanium dioxide is not particularly limited.
이산화티타늄의 평균 입경은 바람직하게는 20㎛ 이하, 특히 바람직하게는 0.1 내지 10㎛이다. 이산화티타늄의 평균 입경이 상기 범위에 있음으로써, 각 원료와의 반응성이 높아진다. 또한, 이산화티타늄의 BET 비표면적은 바람직하게는 50㎡/g 이상, 특히 바람직하게는 150 내지 400㎡/g이다. 이산화티타늄의 BET 비표면적이 상기 범위에 있음으로써, 각 원료와의 반응성이 높아진다.The average particle size of titanium dioxide is preferably 20 ㎛ or less, particularly preferably 0.1 to 10 ㎛. When the average particle size of titanium dioxide is within the above range, the reactivity with each raw material increases. In addition, the BET specific surface area of titanium dioxide is preferably 50 m2/g or more, particularly preferably 150 to 400 m2/g. When the BET specific surface area of titanium dioxide is within the above range, the reactivity with each raw material increases.
이산화티타늄의 결정 구조는 아나타제형과 루틸형으로 크게 구별되는데, 본 발명에 있어서는 어느 결정 구조의 것도 사용할 수 있다. 이들 중, 이산화티타늄의 결정 구조는 아나타제형인 것이 반응성이 양호해지는 점에서 바람직하다.The crystal structure of titanium dioxide is largely divided into anatase type and rutile type, and either crystal structure can be used in the present invention. Among these, the crystal structure of titanium dioxide in the anatase type is preferable because it improves reactivity.
제1 공정에 관한 인산은 공업적으로 입수할 수 있는 것이면, 특별히 제한되지 않는다. 인산은 수용액이어도 된다.The phosphoric acid for the first process is not particularly limited as long as it is industrially available. The phosphoric acid may be an aqueous solution.
제1 공정에 관한 계면 활성제는 이산화티타늄 입자의 입자 표면에 선택적으로 흡착하고, 원료 혼합 슬러리 (1) 중에 이산화티타늄을 고분산시키는 기능을 갖고, 이산화티타늄이 고분산된 상태에서, 제2 공정의 가열 처리에 있어서 후술하는 일반식 (2)로 표시되는 인산티타늄을 생성시킬 수 있다. 그리고 본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에서는, 제2 공정에서의 가열 처리와, 원료 가열 처리물 슬러리 (2) 및 리튬 함유 가열 처리물 슬러리 (3)에 잔존하는 계면 활성제의 상승 효과에 의해, 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (2)의 점도가 낮아진다. 이 때문에, 제4 공정의 분무 건조 처리에 있어서, 분무 건조 장치의 내부에서의 슬러리의 부착이 극적으로 적어진다.The surfactant for the first process selectively adsorbs onto the particle surface of titanium dioxide particles, has a function of highly dispersing titanium dioxide in the raw material mixed slurry (1), and, in a state where the titanium dioxide is highly dispersed, can produce titanium phosphate represented by the general formula (2) described later in the heat treatment of the second process. In addition, in the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention, the viscosity of the lithium-containing raw material heat treatment slurry (2) is lowered by the synergistic effect of the heat treatment in the second process and the surfactant remaining in the raw material heat treatment slurry (2) and the lithium-containing heat treatment slurry (3). Therefore, in the spray drying treatment of the fourth process, adhesion of the slurry inside the spray drying device is dramatically reduced.
제1 공정에 관한 계면 활성제로서는, 음이온계 계면 활성제, 양이온계 계면 활성제, 비이온계 계면 활성제 및 양쪽성 계면 활성제 중 어느 것이어도 되고, 분무 건조 장치의 내부에서의 슬러리의 부착을 억제하는 효과가 높아지는 점에서, 음이온계 계면 활성제가 바람직하다.As the surfactant for the first process, any one of anionic surfactant, cationic surfactant, nonionic surfactant and amphoteric surfactant may be used, and anionic surfactant is preferable because the effect of suppressing adhesion of slurry inside the spray drying device is enhanced.
음이온계 계면 활성제는 카르복실산염, 황산에스테르염, 술폰산염 및 인산에스테르염으로부터 선택되는 적어도 1종의 음이온성 계면 활성제인 것이, 원료 가열 처리물 슬러리 (2) 및 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)의 점도를 낮게 하는 효과가 높고, 반응성이 우수한 반응 전구체가 얻어지는 점에서 바람직하고, 폴리카르복실산계 계면 활성제 또는 폴리아크릴산계 계면 활성제가 특히 바람직하며, 폴리카르복실산계 계면 활성제가 보다 바람직하다. 폴리카르복실산계 계면 활성제로서는, 폴리카르복실산의 암모늄염이 바람직하다.The anionic surfactant is preferably at least one anionic surfactant selected from a carboxylic acid salt, a sulfuric acid ester salt, a sulfonate salt, and a phosphoric acid ester salt, because it has a high effect of lowering the viscosity of the raw material heat-treated slurry (2) and the lithium-containing raw material heat-treated slurry (3), and because a reaction precursor with excellent reactivity is obtained. A polycarboxylic acid surfactant or a polyacrylic acid surfactant is particularly preferable, and a polycarboxylic acid surfactant is more preferable. As the polycarboxylic acid surfactant, an ammonium salt of polycarboxylic acid is preferable.
계면 활성제는 시판되는 것이어도 된다. 시판되고 있는 폴리카르복실산형 계면 활성제의 일례로서는, 산노프코사제의 SN 디스퍼산트 5020, SN 디스퍼산트 5023, SN 디스퍼산트 5027, SN 디스퍼산트 5468, 노프코스퍼스 5600, KAO사제의 포이즈 532A 등을 들 수 있다.The surfactant may be a commercially available one. Examples of commercially available polycarboxylic acid type surfactants include SN Dispersant 5020, SN Dispersant 5023, SN Dispersant 5027, SN Dispersant 5468, NOPCOSUS 5600 manufactured by San Nopco, and POISE 532A manufactured by KAO.
제1 공정에 관한 용매는 수용매, 혹은 물과 친수성 유기 용매의 혼합 용매이다. 친수성 유기 용매로서는, 원료에 대하여 불활성인 것이라면 특별히 제한되지 않고, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 알코올, 메틸에틸케톤 등을 들 수 있다. 물과 친수성 유기 용매의 혼합 용매의 경우, 물과 친수성 유기 용매의 혼합비는 적절히 선택된다.The solvent for the first process is a water solvent, or a mixed solvent of water and a hydrophilic organic solvent. The hydrophilic organic solvent is not particularly limited as long as it is inert to the raw material, and examples thereof include alcohols such as ethanol, propanol, and butanol, and methyl ethyl ketone. In the case of a mixed solvent of water and a hydrophilic organic solvent, the mixing ratio of water and the hydrophilic organic solvent is appropriately selected.
원료 혼합 슬러리 (1) 중의 이산화티타늄의 함유량은, 이산화티타늄 중의 Ti 원자에 대한 인산 중의 P 원자의 몰비(P/Ti)로 바람직하게는 1.50 내지 3.00, 특히 바람직하게는 1.60 내지 2.30이 되는 양이다. 원료 혼합 슬러리 (1) 중의 이산화티타늄의 함유량이 상기 범위에 있음으로써, 단상의 인산티타늄리튬을 얻기 쉬워진다.The content of titanium dioxide in the raw material mixed slurry (1) is preferably such that the molar ratio of P atoms in phosphoric acid to Ti atoms in titanium dioxide (P/Ti) is 1.50 to 3.00, particularly preferably 1.60 to 2.30. When the content of titanium dioxide in the raw material mixed slurry (1) is within the above range, it becomes easy to obtain single-phase lithium titanium phosphate.
원료 혼합 슬러리 (1) 중의 이산화티타늄의 고형분으로서의 함유량은, 원료 혼합 슬러리 (1)의 전량에 대하여 바람직하게는 0.3 내지 40질량%, 특히 바람직하게는 0.3 내지 35질량%, 보다 바람직하게는 5 내지 25질량%이다. 원료 혼합 슬러리 (1) 중의 이산화티타늄의 고형분으로서의 함유량이 상기 범위에 있음으로써, 각 원료 성분의 분산성이 높아지고, 또한 슬러리의 점도 상승의 억제 효과가 높아진다.The content of titanium dioxide as a solid content in the raw material mixed slurry (1) is preferably 0.3 to 40 mass%, particularly preferably 0.3 to 35 mass%, and more preferably 5 to 25 mass%, relative to the total amount of the raw material mixed slurry (1). When the content of titanium dioxide as a solid content in the raw material mixed slurry (1) is within the above range, the dispersibility of each raw material component is improved, and the effect of suppressing an increase in the viscosity of the slurry is also improved.
원료 혼합 슬러리 (1) 중의 계면 활성제의 함유량은, 이산화티타늄 100질량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 20질량부, 특히 바람직하게는 5 내지 15질량부이다. 원료 혼합 슬러리 (1) 중의 계면 활성제의 함유량이 상기 범위에 있음으로써, 슬러리의 점도 상승의 억제 효과가 높아진다.The content of the surfactant in the raw material mixed slurry (1) is preferably 1 to 20 parts by mass, particularly preferably 5 to 15 parts by mass, per 100 parts by mass of titanium dioxide. When the content of the surfactant in the raw material mixed slurry (1) is within the above range, the effect of suppressing an increase in the viscosity of the slurry is enhanced.
또한, 제1 공정에 있어서 용매에 대한 이산화티타늄, 인산 및 계면 활성제의 첨가 순서는 특별히 제한되지 않는다.Additionally, the order of addition of titanium dioxide, phosphoric acid and surfactant to the solvent in the first process is not particularly limited.
제1 공정에 있어서, 원료 혼합 슬러리 (1)의 조제를 이산화티타늄과 인산이 반응하지 않는 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 원료 혼합 슬러리 (1)을 제조할 때의 온도는 바람직하게는 50℃ 미만, 특히 바람직하게는 40℃ 이하, 보다 바람직하게는 10 내지 30℃이다.In the first process, it is preferable to prepare the raw material mixed slurry (1) at a temperature at which titanium dioxide and phosphoric acid do not react. The temperature when preparing the raw material mixed slurry (1) is preferably less than 50°C, particularly preferably 40°C or less, and more preferably 10 to 30°C.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에 관한 제2 공정은, 제1 공정을 행함으로써 얻어지는 원료 혼합 슬러리 (1)을 가열 처리하여, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)를 얻는 공정이다.The second step of the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention is a step of heat-treating the raw material mixed slurry (1) obtained by performing the first step to obtain a raw material heat-treated slurry (2).
제2 공정에서의 가열 처리에서는, 적어도 인산과 이산화티타늄 혹은 필요에 따라 첨가하는 A원이 반응하여, 하기 일반식 (2):In the heat treatment in the second process, at least phosphoric acid and titanium dioxide or A source added as needed react to form the following general formula (2):
(식 중, 0≤y≤0.5, A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다. n은 0≤n≤1을 나타낸다.)로 표시되는 인산티타늄이 생성된다. 그리고, 제2 공정에서는 원료 혼합 슬러리 (1)을 가열 처리함으로써, 상기 일반식 (2)로 표시되는 인산티타늄을 함유하는 원료 가열 처리물 슬러리 (2)가 얻어진다.(In the formula, 0≤y≤0.5, A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn and Si, and n represents 0≤n≤1.) is generated. Then, in the second process, by heat-treating the raw material mixed slurry (1), a raw material heat-treated slurry (2) containing the titanium phosphate represented by the general formula (2) is obtained.
이산화티타늄과 인산을 포함하는 슬러리, 및 이산화티타늄과 인산을 포함하는 슬러리에 대하여 가열 처리를 행하여 얻어지는 슬러리는 슬러리 자체의 점성이 현저하게 높아지기 때문에, 해당 슬러리를 분무 건조 장치에 도입하면, 분무 건조 장치 내부에 해당 슬러리가 부착되어 분무 건조를 행할 수 없다. 이에 반하여, 본 발명자들은 이산화티타늄과 인산을 포함하는 원료 혼합 슬러리 (1)을 계면 활성제의 존재 하에 가열 처리함으로써, 적어도 상기 일반식 (2)로 표시되는 인산티타늄을 포함하는 슬러리가 되고, 또한 이 가열 처리에 의한 효과와 계면 활성제의 첨가 효과의 상승 효과에 의해, 원료 혼합 슬러리 (1)에 비하여 점도가 낮고, 또한 분무 건조 장치의 내부에 부착되기 어려운 슬러리(원료 가열 처리 슬러리 (2), 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3))가 얻어지는 것, 또한 원료 가열 처리 슬러리 (2)에 리튬원을 첨가하여 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻고, 이어서 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 분무 열 분해하여 얻어지는 반응 전구체는 반응성이 우수한 반응 전구체가 되는 것을 알아내었다.A slurry containing titanium dioxide and phosphoric acid, and a slurry obtained by performing a heat treatment on a slurry containing titanium dioxide and phosphoric acid, have a significantly high viscosity of the slurry itself. Therefore, when the slurry is introduced into a spray drying device, the slurry adheres to the inside of the spray drying device, making spray drying impossible. In contrast, the inventors of the present invention found that by heat-treating a raw material mixed slurry (1) containing titanium dioxide and phosphoric acid in the presence of a surfactant, a slurry containing at least titanium phosphate represented by the general formula (2) is obtained, and further, by a synergistic effect of the effect of this heat treatment and the effect of adding the surfactant, a slurry (raw material heat-treated slurry (2), lithium-containing raw material heat-treated product slurry (3)) having lower viscosity than the raw material mixed slurry (1) and which is difficult to adhere to the inside of a spray drying device is obtained, and further, a lithium source is added to the raw material heat-treated slurry (2) to obtain a lithium-containing raw material heat-treated product slurry (3), and then a reaction precursor obtained by spray pyrolysis of the lithium-containing raw material heat-treated product slurry (3) is a reaction precursor having excellent reactivity.
제2 공정에서의 가열 처리의 온도는 바람직하게는 50 내지 120℃, 특히 바람직하게는 70 내지 105℃이다. 제2 공정에서의 가열 처리의 온도가 상기 범위에 있음으로써, 공업적으로 유리한 방법으로 이산화티타늄과 인산의 반응을 완결시킬 수 있다. 제2 공정에서의 가열 처리의 시간은 본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에 있어서 임계적이지 않지만, 바람직하게는 2시간 이상, 특히 바람직하게는 4 내지 24시간이다. 제2 공정에서의 가열 처리의 시간이 상기 범위에 있음으로써, 일반식 (2)로 표시되는 인산티타늄이 생성되고, 또한 후술하는 바와 같이, 라만 스펙트럼 분광 분석에 있어서 975㎝-1 부근에 피크가 관찰될 때까지 충분히 반응이 행해지므로, 분무 건조 장치에 대한 슬러리의 부착이 억제되고, 또한 반응성이 우수한 반응 전구체를 얻기 쉬워진다. 또한, 본 발명에서 라만 스펙트럼 분광 분석에 있어서 975㎝-1 부근에 피크가 관찰된다라 함은, 검출되는 피크의 극댓값이 975㎝-1 부근에 존재하는 것을 말하고, 또한 975㎝-1 부근이란 975±20㎝-1의 범위를 나타낸다.The temperature of the heat treatment in the second step is preferably 50 to 120°C, particularly preferably 70 to 105°C. When the temperature of the heat treatment in the second step is in the above range, the reaction of titanium dioxide and phosphoric acid can be completed in an industrially advantageous manner. The time of the heat treatment in the second step is not critical in the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention, but is preferably 2 hours or more, particularly preferably 4 to 24 hours. When the time of the heat treatment in the second step is in the above range, titanium phosphate represented by the general formula (2) is produced, and further, as described later, the reaction is sufficiently carried out until a peak is observed in the vicinity of 975 cm -1 in Raman spectrum analysis, so that adhesion of the slurry to the spray drying device is suppressed, and furthermore, it becomes easy to obtain a reaction precursor having excellent reactivity. In addition, in the present invention, the observation of a peak around 975 cm -1 in the Raman spectrum analysis means that the maximum value of the detected peak exists around 975 cm -1 , and also, around 975 cm -1 indicates a range of 975±20 cm -1 .
제2 공정에 있어서, 이산화티타늄과 인산의 반응을 효율적으로 행할 수 있다는 점에서, 교반 하에 가열 처리를 행하는 것이 바람직하다. 또한, 제2 공정에서는, 대기압 하에서 가열 처리를 행하는 것이 바람직하다.In the second process, it is preferable to perform the heat treatment under stirring in order to efficiently carry out the reaction between titanium dioxide and phosphoric acid. In addition, in the second process, it is preferable to perform the heat treatment under atmospheric pressure.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에 관한 제3 공정은, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에 리튬원을 혼합하여, 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻는 공정이다.The third step of the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention is a step of mixing a lithium source into a raw material heat treatment slurry (2) to obtain a lithium-containing raw material heat treatment slurry (3).
제3 공정에 관한 리튬원으로서는, 수산화리튬, 탄산리튬, 산화리튬, 유기산리튬 등을 들 수 있고, 이들 중 수산화리튬이 슬러리에 용해된 상태로 존재시킬 수 있고, 또한 공업적으로 입수가 용이한 관점에서 바람직하다.Lithium sources for the third process include lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium oxide, and lithium organic acid. Among these, lithium hydroxide is preferable from the viewpoint of being able to exist in a dissolved state in the slurry and also being easy to obtain industrially.
리튬원의 가열 처리물 슬러리 (2)로의 첨가 시기인데, 제2 공정 후의 가온 상태의 원료 가열 처리물 슬러리 (2)로 리튬원을 첨가해도 되고, 또한 제2 공정 후, 실온 부근까지, 바람직하게는 30℃ 이하로 냉각한 원료 가열 처리물 슬러리 (2)로 리튬원을 첨가해도 된다. 그리고 제2 공정 후, 실온 부근까지, 바람직하게는 30℃ 이하로 냉각한 원료 가열 처리물 슬러리 (2)로 리튬원을 첨가하는 것이, 슬러리의 점도 상승을 억제할 수 있는 점에서 바람직하다.As for the timing of addition to the slurry (2) of the lithium source heat treatment material, the lithium source may be added to the slurry (2) of the raw material heat treatment material in a heated state after the second process, or the lithium source may be added to the slurry (2) of the raw material heat treatment material that has been cooled to around room temperature, preferably to 30°C or lower, after the second process. In addition, it is preferable to add the lithium source to the slurry (2) of the raw material heat treatment material that has been cooled to around room temperature, preferably to 30°C or lower, after the second process, from the viewpoint of suppressing an increase in the viscosity of the slurry.
리튬원의 첨가량은, 원료 가열 처리물 슬러리 (2) 중의 Ti 원자에 대한 리튬원 중의 Li 원자의 몰비(Li/Ti)로 바람직하게는 0.5 내지 2.0이 되는 양, 특히 바람직하게는 0.6 내지 1.3이 되는 양이다. 리튬원의 첨가량이 상기 범위에 있음으로써, 리튬 이온 전도율이 높아진다.The amount of lithium source added is preferably such that the molar ratio (Li/Ti) of Li atoms in the lithium source to Ti atoms in the raw material heat treatment slurry (2) is 0.5 to 2.0, particularly preferably 0.6 to 1.3. When the amount of lithium source added is within the above range, the lithium ion conductivity increases.
이와 같이 하여 제3 공정에 있어서 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)이 얻어지는데, 본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에서는, 필요에 따라 제1 공정의 개시 시부터 제3 공정의 종료 시까지 사이의 어느 시기에, 추가로 슬러리(원료 혼합 슬러리 (1), 원료 가열 처리물 슬러리 (2), 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3))에 M원(M은 Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 2가 또는 3가의 금속 원소를 나타낸다.) 및/또는 A원(A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다.)을 함유시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에서는 필요에 따라, 제1 공정에 있어서 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제할 때 용매에 M원 및/또는 A원을 혼합하는 것, 제2 공정에서 얻어지는 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에, 또는 제3 공정에 있어서 리튬원을 혼합할 때 슬러리에 M원 및/또는 A원을 혼합할 수 있다.In this way, a lithium-containing raw material heat-treated slurry (3) is obtained in the third process. In the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention, at any time between the start of the first process and the end of the third process, if necessary, an M source (M represents one or more divalent or trivalent metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In, and Co) and/or an A source (A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn, and Si) can be additionally contained in the slurry (raw material mixed slurry (1), raw material heat-treated slurry (2), lithium-containing raw material heat-treated slurry (3)). That is, in the method for manufacturing lithium titanium phosphate of the present invention, when preparing the raw material mixed slurry (1) in the first step, the M source and/or the A source can be mixed into the solvent, when preparing the raw material heated-processed slurry (2) obtained in the second step, or when mixing the lithium source in the third step, the M source and/or the A source can be mixed into the slurry.
M원으로서는, 예를 들어 M 원소를 포함하는 산화물, 수산화물, 탄산염, 유기산염, 질산염, 인산염을 들 수 있다. M원으로서는, 예를 들어 Al 함유 화합물, Cr 함유 화합물을 들 수 있다. Al 함유 화합물로서는, 예를 들어 중인산알루미늄을 들 수 있다. Cr 함유 화합물로서는, 인산크롬을 들 수 있다.As M sources, examples thereof include oxides, hydroxides, carbonates, organic acid salts, nitrates, and phosphates containing the M element. As M sources, examples thereof include Al-containing compounds and Cr-containing compounds. As Al-containing compounds, examples thereof include aluminum phosphate. As Cr-containing compounds, examples thereof include chromium phosphate.
또한 A원으로서는, 예를 들어 A 원소를 포함하는 산화물, 수산화물, 탄산염, 유기산염, 질산염, 인산염을 들 수 있다.Also, as element A, examples thereof include oxides, hydroxides, carbonates, organic acid salts, nitrates, and phosphates containing element A.
M원의 함유량은, 이산화티타늄 중의 Ti 원자와 M원 중의 M 원자의 합계의 몰비에 대한 M원 중의 M 원자의 몰비(M/(M+Ti))가 0보다 크고 0.50 이하, 바람직하게는 0.10 내지 0.35, 특히 바람직하게는 0.15 내지 0.30이 되는 양이다. 이산화티타늄 중의 Ti 원자와 M원 중의 M 원자의 합계의 몰비에 대한 M원 중의 M 원자의 몰비(M/(M+Ti))가 상기 범위에 있음으로써, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻기 쉬워진다. 또한, M원을 첨가하는 경우에는, 리튬 이온 전도율이 높아지는 점에서, 제3 공정에 있어서 리튬원의 첨가량이, 가열 처리물 슬러리 (2) 중의 Ti 원자 및 M원 중의 M 원자의 합계 몰비에 대한 리튬원 중의 Li 원자의 몰비(Li/(Ti+M))로 0.50 내지 1.00이 되는 양이 바람직하고, 0.60 내지 0.90이 되는 양인 것이 특히 바람직하다.The content of the M source is such that the molar ratio of the M atoms in the M source to the molar ratio of the sum of the Ti atoms in the titanium dioxide and the M atoms in the M source (M/(M+Ti)) is greater than 0 and not more than 0.50, preferably 0.10 to 0.35, and particularly preferably 0.15 to 0.30. When the molar ratio of the M atoms in the M source to the molar ratio of the sum of the Ti atoms in the titanium dioxide and the M atoms in the M source (M/(M+Ti)) is in the above range, it becomes easy to obtain lithium titanium phosphate which is single-phase in terms of X-ray diffraction. In addition, when adding M source, in terms of increasing lithium ion conductivity, the amount of lithium source added in the third process is preferably such that the molar ratio of Li atoms in the lithium source to the total molar ratio of Ti atoms in the heat-treated slurry (2) and M atoms in the M source (Li/(Ti+M)) is 0.50 to 1.00, and is particularly preferably such that the amount is 0.60 to 0.90.
A원의 함유량은, 이산화티타늄 중의 Ti 원자와 A원 중의 A 원자의 합계의 몰비에 대한 A원 중의 A 원자의 몰비(A/(A+Ti))가 0보다 크고 0.50 이하, 바람직하게는 0보다 크고 0.40 이하, 특히 바람직하게는 0.02 내지 0.25가 되는 양이다. 이산화티타늄 중의 Ti 원자와 A원 중의 A 원자의 합계의 몰비에 대한 A원 중의 A 원자의 몰비(A/(A+Ti))가 상기 범위에 있음으로써, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻기 쉬워진다. 또한, A원을 첨가하는 경우에는, 리튬 이온 전도율이 높아지는 점에서, 제3 공정에 있어서 리튬원의 첨가량이, 가열 처리물 슬러리 (2) 중의 Ti 원자 및 A원 중의 A 원자의 합계 몰비에 대한 리튬원 중의 Li 원자의 몰비(Li/(Ti+A))로 0.50 내지 1.00이 되는 양이 바람직하고, 0.60 내지 0.90이 되는 양인 것이 특히 바람직하다.The content of the A source is such that the molar ratio of the A atoms in the A source to the molar ratio of the sum of the Ti atoms in the titanium dioxide and the A atoms in the A source (A / (A + Ti)) is greater than 0 and 0.50 or less, preferably greater than 0 and 0.40 or less, and particularly preferably 0.02 to 0.25. When the molar ratio of the A atoms in the A source to the molar ratio of the sum of the Ti atoms in the titanium dioxide and the A atoms in the A source (A / (A + Ti)) is within the above range, it becomes easy to obtain lithium titanium phosphate which is single-phase in terms of X-ray diffraction. In addition, when adding A source, in terms of increasing lithium ion conductivity, the amount of lithium source added in the third process is preferably such that the molar ratio of Li atoms in the lithium source to the total molar ratio of Ti atoms in the heat-treated slurry (2) and A atoms in the A source (Li/(Ti+A)) is 0.50 to 1.00, and is particularly preferably such that the amount is 0.60 to 0.90.
또한, M원 및 A원을 병용하는 경우의 M원 및 A원의 함유량은, 이산화티타늄 중의 Ti 원자, M원 중의 M 원자 및 A원 중의 A 원자의 합계의 몰비에 대한 M원 중의 M 원자 및 A원 중의 A 원자의 합계의 몰비((M+A)/(M+A+Ti))가 0보다 크고 0.5 이하, 바람직하게는 0.1 내지 0.35, 특히 바람직하게는 0.15 내지 0.30이 되는 양이다. 이산화티타늄 중의 Ti 원자, M원 중의 M 원자 및 A원 중의 A 원자의 합계의 몰비에 대한 M원 중의 M 원자 및 A원 중의 A 원자의 합계의 몰비((M+A)/(M+A+Ti))가 상기 범위에 있음으로써, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻기 쉬워진다.In addition, when the M source and the A source are used together, the content of the M source and the A source is such that the molar ratio of the sum of the M atoms in the M source and the A atoms in the A source to the molar ratio of the sum of the Ti atoms in the titanium dioxide, the M atoms in the M source, and the A atoms in the A source ((M+A)/(M+A+Ti)) is greater than 0 and 0.5 or less, preferably 0.1 to 0.35, and particularly preferably 0.15 to 0.30. When the molar ratio of the sum of the M atoms in the M source and the A atoms in the A source to the molar ratio of the Ti atoms in the titanium dioxide, the M atoms in the M source, and the A atoms in the A source ((M+A)/(M+A+Ti)) is in the above range, it becomes easy to obtain lithium titanium phosphate which is single-phase in terms of X-ray diffraction.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에 관한 제4 공정은, 제3 공정을 행하여 얻어지는 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 분무 건조하여, 반응 전구체를 얻는 공정이다.The fourth step of the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention is a step of spray drying the lithium-containing raw material heat treatment slurry (3) obtained by performing the third step to obtain a reaction precursor.
제4 공정에 있어서, 분무 건조에 의해 건조 처리를 행함으로써 원료 입자가 밀하게 쌓인 상태의 조립물(造粒物)이 얻어지기 때문에, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻기 쉬워진다.In the fourth process, since a granulated product in which raw material particles are densely packed is obtained by performing a drying process by spray drying, it becomes easy to obtain lithium titanium phosphate that is single-phase in X-ray diffraction.
제4 공정에서의 분무 건조에서는 소정 수단에 의해 슬러리를 안개화하고, 그에 의해서 생긴 미세한 액적을 건조시킴으로써 반응 전구체를 얻는다. 슬러리의 안개화에는, 예를 들어 회전 원반을 사용하는 방법과, 압력 노즐을 사용하는 방법이 있다. 제4 공정에 있어서는 어느 방법도 사용할 수도 있다.In the spray drying in the fourth process, the slurry is atomized by a predetermined means, and the resulting fine droplets are dried to obtain a reaction precursor. For atomizing the slurry, there are methods using a rotating disc and methods using a pressure nozzle, for example. Either method can be used in the fourth process.
제4 공정에서의 분무 건조에서는 안개화된 액적의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 1 내지 40㎛가 바람직하고, 5 내지 30㎛가 특히 바람직하다. 분무 건조 장치에 대한 슬러리의 공급량은 이 관점을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.In the spray drying in the fourth process, the size of the atomized droplets is not particularly limited, but is preferably 1 to 40 μm, and particularly preferably 5 to 30 μm. It is preferable to determine the supply amount of slurry to the spray drying device by taking this viewpoint into consideration.
제4 공정에 있어서 분무 건조 장치에서의 건조 온도를, 열풍 입구 온도가 150 내지 300℃, 바람직하게는 200 내지 250℃가 되도록 조정하고, 열풍 출구 온도가 80 내지 200℃, 바람직하게는 100 내지 170℃가 되도록 조정하는 것이, 분체의 흡습을 방지해 분체의 회수가 용이해지는 점에서 바람직하다.In the fourth process, it is preferable to adjust the drying temperature in the spray drying device so that the hot air inlet temperature is 150 to 300°C, preferably 200 to 250°C, and so that the hot air outlet temperature is 80 to 200°C, preferably 100 to 170°C, in order to prevent moisture absorption of the powder and facilitate recovery of the powder.
제4 공정을 행하여 얻어지는 반응 전구체는 일반식 (2)로 표시되는 인산티타늄을 함유한다. 또한, 반응 전구체는 라만 스펙트럼 분광 분석에 있어서 975㎝-1 부근에 피크가 관찰되는 것임이, 분무 건조 장치에 대한 슬러리의 부착이 억제되고, 또한 반응성이 우수한 반응 전구체가 되는 점에서 바람직하다. 또한, 리튬원, 필요에 따라 추가로 M원을 첨가하여 얻어지는 반응 전구체는 일반식 (2)로 표시되는 인산티타늄 이외의 화합물로서, 첨가한 리튬원이나 M원이 슬러리 중에서 반응하여 Li 원소를 함유하는 화합물 및/또는 M 원소를 함유하는 화합물로서 포함되어 있어도 상관없다.The reaction precursor obtained by carrying out the fourth process contains titanium phosphate represented by the general formula (2). In addition, the reaction precursor is preferable in that a peak is observed around 975 cm -1 in Raman spectrum analysis, which suppresses adhesion of the slurry to the spray drying device and makes it a reaction precursor with excellent reactivity. In addition, the reaction precursor obtained by further adding a lithium source and, if necessary, an M source is a compound other than titanium phosphate represented by the general formula (2), and the added lithium source or M source may be included as a compound containing a Li element and/or a compound containing an M element by reacting in the slurry.
이와 같이 하여 제4 공정을 행함으로써, 제5 공정에 있어서 소성에 부치는 반응 전구체를 얻는다.By performing the fourth process in this manner, a reaction precursor for sintering in the fifth process is obtained.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법에 관한 제5 공정은, 제4 공정을 행하여 얻어지는 반응 전구체를 소성하여, X선적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻는 공정이다.The fifth step of the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention is a step of calcining the reaction precursor obtained by performing the fourth step to obtain lithium titanium phosphate that is single-phase in X-ray.
제5 공정에서의 소성 온도는 바람직하게는 500 내지 1100℃, 특히 바람직하게는 550 내지 1050℃이다. 소성 온도가 상기 범위임으로써, X선적으로 단상인 인산티타늄리튬이 얻어진다. 한편, 소성 온도가 상기 범위 미만이면, X선적으로 단상인 것이 될 때까지의 소성 시간이 너무 길어지고, 또한 입도 분포가 샤프한 것을 얻기 어려워지는 경향이 있다. 또한, 소성 온도가 상기 범위를 초과하면, 1차 입자가 크게 성장한 소결체가 조대 입자가 되어 함유되기 때문에 바람직하지 않다.The sintering temperature in the fifth process is preferably 500 to 1100°C, particularly preferably 550 to 1050°C. When the sintering temperature is in the above range, lithium titanium phosphate having a single phase in X-ray is obtained. On the other hand, when the sintering temperature is lower than the above range, the sintering time until it becomes a single phase in X-ray tends to be too long, and it also tends to be difficult to obtain a sharp particle size distribution. In addition, when the sintering temperature exceeds the above range, the sintered body in which the primary particles have grown significantly becomes coarse particles and is therefore not preferable.
제5 공정에서의 소성 분위기는 대기 분위기 또는 불활성 가스 분위기이다. 불활성 가스로서는, 예를 들어 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스 등을 들 수 있고, 이들 중 질소 가스가 저렴하고 공업적으로 유리해지는 관점에서 바람직하다.The sintering atmosphere in the fifth process is an atmospheric atmosphere or an inert gas atmosphere. Examples of inert gases include argon gas, helium gas, and nitrogen gas, and among these, nitrogen gas is preferable from the viewpoint of being inexpensive and industrially advantageous.
제5 공정에서의 소성 시간은 특별히 제한되지 않으며, 0.5시간 이상, 바람직하게는 2 내지 20시간이다. 제5 공정에서는 0.5시간 이상, 바람직하게는 2 내지 20시간 소성을 행하면, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬을 얻을 수 있다.The calcination time in the fifth process is not particularly limited, and is 0.5 hours or more, preferably 2 to 20 hours. In the fifth process, when calcination is performed for 0.5 hours or more, preferably 2 to 20 hours, lithium titanium phosphate having a single phase in X-ray diffraction can be obtained.
제5 공정에서는, 일단 소성을 행하여 얻어진 인산티타늄리튬을 필요에 따라 복수회 소성해도 된다.In the fifth process, the lithium titanium phosphate obtained by performing calcination once may be calcined multiple times as needed.
제5 공정을 행하여 얻어지는 인산티타늄리튬을 필요에 따라 해쇄 처리 또는 분쇄 처리하고, 더욱 분급해도 된다.The lithium titanium phosphate obtained by performing the fifth process may be subjected to crushing or pulverizing treatment as needed, and may be further classified.
이와 같이 하여 본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법으로 얻어지는 인산티타늄리튬은, X선 회절적으로 단상인 인산티타늄리튬인 것 외에도, 레이저 회절 산란법에 의해 구해지는 평균 입경이 바람직하게는 10㎛ 이하, 특히 바람직하게는 0.1 내지 5㎛이며, BET 비표면적이 바람직하게는 1㎡/g 이상, 특히 바람직하게는 5 내지 30㎡/g이다. 또한, 레이저 회절 산란법에 의해 구해지는 평균 입경이란, 레이저 회절 산란법에 의해 측정되는 체적 빈도 입도 분포 측정에 의해 구해지는 적산 50%(D50)의 입경을 가리킨다.Thus, the lithium titanium phosphate obtained by the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention, in addition to being lithium titanium phosphate having a single phase in terms of X-ray diffraction, has an average particle size determined by a laser diffraction scattering method of preferably 10 µm or less, particularly preferably 0.1 to 5 µm, and a BET specific surface area of preferably 1 m2/g or more, particularly preferably 5 to 30 m2/g. In addition, the average particle size determined by a laser diffraction scattering method refers to a particle size of an integrated 50% (D50) determined by a volume frequency particle size distribution measurement measured by a laser diffraction scattering method.
본 발명의 인산티타늄리튬의 제조 방법을 행하여 얻어지는 인산티타늄리튬은 이차 전지의 고체 전해질 또는 정극, 부극 재료로서 적합하게 이용된다.The lithium titanium phosphate obtained by carrying out the method for producing lithium titanium phosphate of the present invention is suitably used as a solid electrolyte or a positive electrode or negative electrode material of a secondary battery.
실시예Example
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described by examples, but the present invention is not limited to these.
<평가 장치><Evaluation Device>
ㆍX선 회절: 리가쿠사 UltimaIV를 사용하였다.ㆍX-ray diffraction: Rigakusa UltimaIV was used.
선원으로서 Cu-Kα를 사용하였다. 측정 조건은 관 전압 40kV, 관 전류 40mA, 주사 속도 0.1°/sec로 하였다.Cu-Kα was used as a source. The measurement conditions were tube voltage 40 kV, tube current 40 mA, and scan speed 0.1°/sec.
ㆍ라만 분광 장치: 서모 피셔 사이언티픽제 Nicolet Almega XR을 사용하였다. 측정 조건은 레이저 파장을 532㎚로 하였다.ㆍRaman spectrometer: Nicolet Almega XR from Thermo Fisher Scientific was used. The measurement conditions were a laser wavelength of 532 nm.
(실시예 1)(Example 1)
<제1 공정><Process 1>
순수 4.6L에 실온(25℃)에서 쓰리원 모터 교반기를 사용하여 교반하면서, 순도 89.9%의 아나타제형 이산화티타늄(평균 입경 4㎛, BET 비표면적 323㎡/g, 아나타제형의 함유량이 99.9질량%) 600g, 음이온계 계면 활성제(폴리카르복실산암모늄, 산노프코사제 SN 디스퍼산트 5468) 52.2g, 85질량% 인산(함수율 15질량%) 962.9g의 순으로 투입하여, 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제하였다.While stirring at room temperature (25°C) using a three-one motor stirrer in 4.6 L of pure water, 600 g of anatase-type titanium dioxide (average particle size of 4 μm, BET surface area of 323 m2/g, anatase content of 99.9 mass%) with a purity of 89.9%, 52.2 g of anionic surfactant (ammonium polycarboxylate, SN Dispersant 5468 manufactured by San Nopco), and 962.9 g of 85 mass% phosphoric acid (moisture content of 15 mass%) were added in that order to prepare a raw material mixing slurry (1).
<제2 공정><2nd Process>
이어서, 교반 하에 이 원료 혼합 슬러리 (1)을 30℃/h로 90℃까지 승온시키고, 그대로 90℃에서 8시간 유지한 후, 실온(25℃)까지 방랭하여, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)를 얻었다.Next, the raw material mixture slurry (1) was heated to 90°C at 30°C/h under stirring, maintained at 90°C for 8 hours, and then cooled to room temperature (25°C) to obtain a raw material heat treatment slurry (2).
<제3 공정><Process 3>
이어서 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에, 50질량% 중인산알루미늄 수용액 715g, 이어서 수산화리튬 1수화물 216.7g을 870ml의 순수에 용해한 수산화리튬 수용액을 20분에 걸쳐 교반 하에 첨가하여 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻었다.Next, 715 g of a 50 mass% aluminum bisulfite aqueous solution and then 216.7 g of lithium hydroxide monohydrate dissolved in 870 ml of pure water were added to the raw material heat-treated material slurry (2) under stirring over 20 minutes to obtain a lithium-containing raw material heat-treated material slurry (3).
<제4 공정><Fourth Process>
이어서 220℃로 설정한 스프레이 드라이어에, 2.4L/h의 공급 속도로 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 공급하고, 건조물을 얻었다. 스프레이 드라이어의 내부를 눈으로 봐서 관찰한 결과, 내부 부착분은 적고, 회수율은 고형분 기준으로 95%였다. 얻어진 건조물을 X선 회절 분석한 바, α-Ti(HPO4)2(H2O)가 관찰되고, 그 이외에 Li(H2PO4), Al(PO4), Al(PO4)(H2O), Al(H2PO4)(HPO4)도 검출되었다(도 1). 또한, 라만 스펙트럼 분석한 바 975㎝-1에 피크가 확인되었다(도 2).Next, a slurry of lithium-containing raw material heat treatment material (3) was supplied at a supply rate of 2.4 L/h to a spray dryer set to 220°C, and a dried product was obtained. As a result of visually observing the inside of the spray dryer, the internal attachment was small, and the recovery rate was 95% on a solids basis. As a result of X-ray diffraction analysis of the obtained dried product, α-Ti(HPO 4 ) 2 (H 2 O) was observed, and in addition, Li(H 2 PO 4 ), Al(PO 4 ), Al(PO 4 )(H 2 O), and Al(H 2 PO 4 )(HPO 4 ) were also detected (Fig. 1). In addition, a peak at 975 cm -1 was confirmed as a result of Raman spectrum analysis (Fig. 2).
<제5 공정><Process 5>
이어서, 얻어진 반응 전구체를 대기 중 700℃에서 4시간 소성하여, 소성물을 얻었다. 이어서, 소성물을 기류 분쇄기로 분쇄를 행하여 분쇄물을 얻었다.Next, the obtained reaction precursor was calcined at 700°C in the air for 4 hours to obtain a calcined product. Next, the calcined product was pulverized using an airflow pulverizer to obtain a pulverized product.
얻어진 분쇄물을 X선 회절 분석한 바, 소성물은 나시콘(NASICON) 구조를 갖는 단상의 Li1.2Al0.2Ti1.8(PO4)3이었다(도 3). 이것을 인산티타늄리튬 시료로 하였다. 또한, 얻어진 인산티타늄리튬 시료의 SEM 사진을 도 4에 도시한다.The obtained pulverized product was subjected to X-ray diffraction analysis, and the sintered product was found to be a single-phase Li 1.2 Al 0.2 Ti 1.8 (PO 4 ) 3 having a NASICON structure (Fig. 3). This was used as a lithium titanium phosphate sample. In addition, an SEM image of the obtained lithium titanium phosphate sample is shown in Fig. 4.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
순수 4.6L에 실온(25℃)에서 쓰리원 모터 교반기를 사용하여 교반하면서 순도 89.9%의 아나타제형 이산화티타늄(평균 입경 4㎛, BET 비표면적 323㎡/g, 아나타제형의 함유량이 99.9질량%) 600g, 음이온계 계면 활성제(폴리카르복실산암모늄, 산노프코사제 SN 디스퍼산트 5468) 52.2g, 85질량% 인산(함수율 15질량%) 962.9g의 순으로 투입하고, 8시간 교반하여 원료 혼합 슬러리 (1)을 얻었다.At room temperature (25℃), using a Three-One motor stirrer, 600 g of anatase-type titanium dioxide having a purity of 89.9% (average particle size of 4 ㎛, BET surface area of 323 m2/g, anatase content of 99.9 mass%), 52.2 g of anionic surfactant (ammonium polycarboxylate, SN Dispersant 5468 manufactured by San Nopco), and 962.9 g of 85 mass% phosphoric acid (moisture content of 15 mass%) were added in that order to 4.6 L of pure water, and stirred for 8 hours to obtain a raw material mixed slurry (1).
이어서 원료 혼합 슬러리 (1)에, 50질량% 중인산알루미늄 수용액 715g, 이어서 수산화리튬 1수화물 216.7g을 870ml의 순수에 용해한 수산화리튬 수용액을 20분에 걸쳐 교반 하에 첨가하여 리튬 함유 슬러리를 얻었다.Next, 715 g of a 50 mass% aluminum bicarbonate aqueous solution and then 216.7 g of lithium hydroxide monohydrate dissolved in 870 ml of pure water were added to the raw material mixed slurry (1) under stirring over 20 minutes to obtain a lithium-containing slurry.
이어서, 220℃로 설정한 스프레이 드라이어에 2.4L/h의 공급 속도로 리튬 함유 슬러리를 공급하였지만, 슬러리의 거의 전량이 스프레이 드라이어 내부에 부착되었다. 부착물을 라만 스펙트럼 분석한 바 975㎝-1 부근의 피크는 확인되지 않았다(도 5).Next, lithium-containing slurry was supplied to a spray dryer set at 220°C at a supply rate of 2.4 L/h, but almost all of the slurry was attached to the inside of the spray dryer. When the attachment was analyzed by Raman spectrum, no peak around 975 cm -1 was confirmed (Fig. 5).
(비교예 2)(Comparative Example 2)
순수 4.6L에 실온(25℃)에서 쓰리원 모터 교반기를 사용하여 교반하면서 순도 89.9%의 아나타제형 이산화티타늄(평균 입경 4㎛, BET 비표면적 323㎡/g, 아나타제형의 함유량이 99.9질량%) 600g, 85질량% 인산(함수율 15질량%) 962.9g의 순으로 투입하고, 8시간 교반하여 혼합 슬러리 (1)을 얻었다.At room temperature (25°C), using a three-one motor stirrer, 600 g of anatase-type titanium dioxide (average particle size of 4 μm, BET surface area of 323 m2/g, anatase content of 99.9 mass%) with a purity of 89.9% and 962.9 g of 85 mass% phosphoric acid (moisture content of 15 mass%) were sequentially added to 4.6 L of pure water, and stirred for 8 hours to obtain a mixed slurry (1).
이어서, 교반 하에 이 슬러리를 30℃/h로 90℃까지 승온한 바, 겔화되어 교반 불능이 되었다. 겔화된 케이크를 라만 스펙트럼 분석한 바 975㎝-1 부근의 피크는 확인되었다.Subsequently, the slurry was heated to 90°C at 30°C/h under stirring, whereupon it gelled and became impossible to stir. When the gelled cake was analyzed by Raman spectrum, a peak near 975 cm -1 was confirmed.
(1) <물성 평가>(1) <Property Evaluation>
실시예에서 얻어진 인산티타늄리튬 시료에 대하여, 평균 입경, BET 비표면적을 측정하였다. 또한, 평균 입경은 레이저 회절 산란법에 의해 구하였다.For the lithium titanium phosphate sample obtained in the example, the average particle diameter and BET specific surface area were measured. In addition, the average particle diameter was obtained by laser diffraction scattering method.
(2) <리튬 이온 전도성의 평가>(2) <Evaluation of lithium ion conductivity>
<성형체의 제작 1><Production of a molded body 1>
실시예에서 얻어진 인산티타늄리튬 시료 0.5g과 결합제(Spectro Blend(등록 상표), 4.4㎛ Powder) 0.05g을 유발로 5분간 혼합하고, φ10㎜의 금형에 전량 충전하고, 핸드 프레스를 사용하여 300kg의 압력으로 펠릿상으로 성형하여, 분말 성형체를 제작하였다. 얻어진 분말 성형체를 전기로에서 850℃에서 4시간, 대기 중에서 소성하여 세라믹 성형체를 얻었다.In the example, 0.5 g of the lithium titanium phosphate sample and 0.05 g of a binder (Spectro Blend (registered trademark), 4.4 μm Powder) were mixed in a mortar for 5 minutes, completely filled into a φ10 mm mold, and formed into a pellet shape using a hand press at a pressure of 300 kg to produce a powder molded body. The obtained powder molded body was fired in an electric furnace at 850°C for 4 hours in the air to obtain a ceramic molded body.
<리튬 이온 전도도의 측정><Measurement of lithium ion conductivity>
세라믹 성형체의 양면을 Pt 증착에 의해 전극을 형성한 후, 교류 임피던스 측정을 행하고, 얻어진 cole-cole 플롯으로부터 피팅을 행하여 실온(25℃)에 있어서의 리튬 이온 전도도를 구하였다.After forming electrodes on both sides of the ceramic molded body by Pt deposition, AC impedance was measured, and fitting was performed from the obtained Cole-Cole plot to obtain the lithium ion conductivity at room temperature (25°C).
(실시예 2)(Example 2)
<제1 공정><Process 1>
순수 4.6L에 실온(25℃)에서 쓰리원 모터 교반기를 사용하여 교반하면서, 순도 89.9%의 아나타제형 이산화티타늄(평균 입경 4㎛, BET 비표면적 323㎡/g, 아나타제형의 함유량이 99.9질량%) 540g, ZrO2 환산으로 순도 28.2%의 수산화지르코늄 295.0g, 음이온계 계면 활성제(폴리카르복실산암모늄, 산노프코사제 SN 디스퍼산트 5468) 52.2g, 85질량% 인산(함수율 15질량%) 962.9g의 순으로 투입하여, 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제하였다.While stirring at room temperature (25°C) using a Three-Won motor stirrer in 4.6 L of pure water, 540 g of anatase-type titanium dioxide having a purity of 89.9% (average particle size of 4 μm, BET specific surface area of 323 m2/g, anatase content of 99.9 mass%), 295.0 g of zirconium hydroxide having a purity of 28.2% in terms of ZrO 2 , 52.2 g of anionic surfactant (ammonium polycarboxylate, SN Dispersant 5468 manufactured by San Nopco), and 962.9 g of 85 mass% phosphoric acid (moisture content of 15 mass%) were added in that order to prepare a raw material mixing slurry (1).
<제2 공정 내지 제4 공정><Process 2 to 4>
이어서, 실시예 1과 동일하게 하여 제2 공정 내지 제4 공정을 실시하여 반응 전구체를 얻었다. 제4 공정에서 얻어진 반응 전구체를 라만 스펙트럼 분석한 바 975㎝-1에 피크가 확인되었다. 또한, 반응 전구체를 X선 회절 분석한 바, α-(Ti)(HPO4)2(H2O)에 Zr을 몰비(Zr/Ti)로 0.1로 함유시킨 인산티타늄 이외에, Li(H2PO4), Al(PO4), Al(PO4)(H2O), Al(H2PO4)(HPO4)도 검출되었다.Next, the second to fourth processes were performed in the same manner as in Example 1 to obtain a reaction precursor. When the reaction precursor obtained in the fourth process was analyzed by Raman spectrum, a peak was confirmed at 975 cm -1 . In addition, when the reaction precursor was analyzed by X-ray diffraction, in addition to titanium phosphate containing Zr in a molar ratio (Zr/Ti) of 0.1 in α-(Ti)(HPO 4 ) 2 (H 2 O), Li(H 2 PO 4 ), Al(PO 4 ), Al(PO 4 )(H 2 O), and Al(H 2 PO 4 )(HPO 4 ) were also detected.
또한, 제4 공정에 있어서, 실시예 1과 마찬가지로 분무 건조 후에 스프레이 드라이어의 내부를 눈으로 봐서 관찰한 결과, 내부 부착분은 적고, 회수율은 94%였다.In addition, in the fourth process, as in Example 1, when the inside of the spray dryer was visually observed after spray drying, the amount of internal attachment was small and the recovery rate was 94%.
<제5 공정><Process 5>
이어서, 얻어진 반응 전구체에 대하여 실시예 1과 마찬가지로 제5 공정을 실시하여 소성물을 얻었다.Next, the fifth process was performed on the obtained reaction precursor in the same manner as in Example 1 to obtain a calcined product.
얻어진 소성물을 X선 회절 분석한 바, 이상은 관찰되지 않고, 소성물은 나시콘(NASICON) 구조의 Li1.2Al0.2Ti1.8(PO4)3에 Zr을 몰비(Zr/Ti)로 0.1 포함하는 단상의 인산티타늄리튬이었다(도 6). 이것을 인산티타늄리튬 시료로 하였다.The obtained sintered product was analyzed by X-ray diffraction, and no abnormalities were observed. The sintered product was a single-phase lithium titanium phosphate having a NASICON structure of Li 1.2 Al 0.2 Ti 1.8 (PO 4 ) 3 and containing Zr in a molar ratio (Zr/Ti) of 0.1 (Fig. 6). This was used as a lithium titanium phosphate sample.
(실시예 3)(Example 3)
인산 투입량을 1033g으로 한 것 외는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 제1 공정, 제2 공정을 행하여, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)를 얻었다.The first and second processes were performed in the same manner as in Example 1, except that the amount of phosphoric acid added was 1033 g, to obtain a slurry (2) of a raw material heat treatment product.
<제3 공정><Process 3>
이어서 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에, 30.6질량% 인산크롬 용액 2M(닛폰 가가쿠 고교제, Cr(H1.5PO4)2)을 1808g, 이어서 수산화리튬 1수화물 283.4g을 1140ml의 순수에 용해한 수산화리튬 수용액을 20분에 걸쳐 교반 하에 첨가하여, 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻었다.Next, 1808 g of a 2M 30.6 mass% chromium phosphate solution (manufactured by Nippon Chemical Industry, Cr( H1.5PO4 ) 2 ) and then 283.4 g of lithium hydroxide monohydrate dissolved in 1140 ml of pure water were added to the raw material heat-treated material slurry ( 2 ) with stirring over 20 minutes to obtain a lithium-containing raw material heat-treated material slurry (3).
<제4 공정><Fourth Process>
이어서 220℃로 설정한 스프레이 드라이어에, 2.4L/h의 공급 속도로 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 공급하고, 건조물을 얻었다. 스프레이 드라이어의 내부를 눈으로 봐서 관찰한 결과, 내부 부착분은 적고, 회수율은 고형분 기준으로 96%였다. 얻어진 건조물을 X선 회절 분석한 바, α-Ti(HPO4)2(H2O) 및 CrHP2O7이 검출되었다. 또한, 라만 스펙트럼 분석한 바 975㎝-1에 피크가 확인되었다(도 7).Next, a slurry of lithium-containing raw material heat treatment material (3) was supplied at a supply rate of 2.4 L/h to a spray dryer set at 220°C, and a dried product was obtained. As a result of visually observing the inside of the spray dryer, the internal attachment was small, and the recovery rate was 96% on a solids basis. When the obtained dried product was subjected to X-ray diffraction analysis, α-Ti( HPO4 ) 2 ( H2O ) and CrHP2O7 were detected. In addition, a peak at 975 cm -1 was confirmed in Raman spectrum analysis (Fig. 7).
<제5 공정><Process 5>
이어서, 얻어진 반응 전구체를 대기 중 1000℃에서 4시간 소성하여, 소성물을 얻었다. 이어서, 소성물을 기류 분쇄기로 분쇄를 행하여 분쇄물을 얻었다.Next, the obtained reaction precursor was calcined in the air at 1000°C for 4 hours to obtain a calcined product. Next, the calcined product was pulverized using an airflow pulverizer to obtain a pulverized product.
얻어진 분쇄물을 X선 회절 분석한 바, 소성물은 나시콘(NASICON) 구조를 갖는 단상의 Li1.5Cr0.5Ti1.5(PO4)3이었다. 이것을 인산티타늄리튬 시료로 하였다.The obtained pulverized product was analyzed by X-ray diffraction and found to be a single-phase Li 1.5 Cr 0.5 Ti 1.5 (PO 4 ) 3 having a NASICON structure. This was used as a lithium titanium phosphate sample.
주) 표 중의 「x」 및 「y」는 일반식 (1)의 식 중의 x 및 y의 값을 나타낸다.Note) “x” and “y” in the table represent the values of x and y in the general formula (1).
(1) <물성 평가>(1) <Property Evaluation>
실시예 2 및 3에서 얻어진 인산티타늄리튬 시료에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 평균 입경, BET 비표면적을 측정하였다.For the lithium titanium phosphate samples obtained in Examples 2 and 3, the average particle size and BET specific surface area were measured in the same manner as in Example 1.
(2) <리튬 이온 전도성의 평가>(2) <Evaluation of lithium ion conductivity>
<성형체의 제작 2><Making a mold 2>
실시예 3에서 얻어진 인산티타늄리튬 시료를 사용하여, 성형체의 제작 1과 마찬가지로 하여 분말 성형체를 얻었다. 이어서 해당 분말 성형체를 전기로에서 1100℃에서 4시간, 대기 중에서 소성하여 세라믹 성형체를 얻었다.Using the lithium titanium phosphate sample obtained in Example 3, a powder molded body was obtained in the same manner as in Manufacturing of a molded body 1. Then, the powder molded body was fired in an electric furnace at 1100°C for 4 hours in the air to obtain a ceramic molded body.
<리튬 이온 전도도의 측정><Measurement of lithium ion conductivity>
상기에서 얻어진 세라믹 성형체에 대하여 실시예 1과 동일하게 하여, 실온(25℃)에 있어서의 리튬 이온 전도도를 구하였다.For the ceramic molded body obtained above, the lithium ion conductivity at room temperature (25°C) was obtained in the same manner as in Example 1.
주) 표 중의 「-」은 미측정을 나타낸다.Note) “-” in the table indicates unmeasured.
Claims (12)
(식 중, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5이며, M은 Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 2가 또는 3가의 금속 원소를 나타낸다. A는 Ge, Zr, V, Nb, Sn 및 Si로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 4가 또는 5가의 금속 원소를 나타낸다.)
로 표시되는 나시콘(NASICON) 구조를 갖는 인산티타늄리튬의 제조 방법이며,
적어도 이산화티타늄, 인산, 폴리카르복실산계 계면 활성제 및 용매를 함유하는 원료 혼합 슬러리 (1)을 조제하는 제1 공정과,
해당 원료 혼합 슬러리 (1)을 50 내지 105℃에서 가열 처리하여, 원료 가열 처리물 슬러리 (2)를 얻는 제2 공정과,
해당 원료 가열 처리물 슬러리 (2)에 리튬원을 혼합하여, 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 얻는 제3 공정과,
해당 리튬 함유 원료 가열 처리물 슬러리 (3)을 분무 건조 처리하여, 적어도 Ti, P 및 Li를 함유하는 반응 전구체를 얻는 제4 공정과,
해당 반응 전구체를 소성하는 제5 공정
을 갖는 것을 특징으로 하는, 인산티타늄리튬의 제조 방법.The following general formula (1):
(Wherein, 0≤x≤1.0, 0≤y≤0.5, and M represents one or more divalent or trivalent metal elements selected from Al, Ga, Sc, Y, La, Fe, Cr, Ni, Mn, In, and Co. A represents one or more tetravalent or pentavalent metal elements selected from Ge, Zr, V, Nb, Sn, and Si.)
A method for manufacturing lithium titanium phosphate having a NASICON structure represented by
A first step of preparing a raw material mixed slurry (1) containing at least titanium dioxide, phosphoric acid, a polycarboxylic acid surfactant and a solvent,
A second process of heat-treating the raw material mixture slurry (1) at 50 to 105°C to obtain a raw material heat-treated slurry (2);
A third process of mixing a lithium source into the raw material heat treatment slurry (2) to obtain a lithium-containing raw material heat treatment slurry (3),
A fourth step of spray drying the lithium-containing raw material heat treatment slurry (3) to obtain a reaction precursor containing at least Ti, P and Li;
Step 5 of calcining the reaction precursor
A method for producing lithium titanium phosphate, characterized by having:
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