JP6616215B2 - Method for producing positive electrode active material for lithium ion battery - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオン電池用の正極活物質の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion battery.
リチウムイオン電池の歴史は古く、その商業生産は1990年代に始まっている。しかしながら、リチウムイオン電池の開発は、2000年以降の携帯端末、スマートフォン、電気自動車などの普及によって本格的に発展したと言ってよい。リチウムイオン電池は、他の電池と同様に正極、負極、電解質、外装体を主な構成部材とするが、中でも正極に用いられる正極活物質はリチウムイオン電池の電池性能を左右する重要な材料である。すでにリチウムイオン電池に用いられる正極活物質として様々なリチウム系金属酸化物が見出されている。 代表的なリチウム系金属酸化物は、初期の正極活物質であるLiCoO2のコバルト原子の一部をNiとさらに他の微量の金属で置換したものであり、前駆体である遷移金属複合水酸化物とリチウム化合物との混合物を焼成することによって粉体として得られる。上記前駆体としては、通常は、pHが制御された水溶液中に遷移金属の塩を投入させて得られる遷移金属複合水酸化物を分離・乾燥して得られるものが使用されている。 Lithium ion batteries have a long history and their commercial production began in the 1990s. However, it can be said that the development of lithium-ion batteries has been developed in earnest with the spread of mobile terminals, smartphones, electric vehicles and the like since 2000. Lithium ion batteries, like other batteries, have a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and an outer package as the main components. Among them, the positive electrode active material used for the positive electrode is an important material that affects the battery performance of the lithium ion battery. is there. Various lithium metal oxides have already been found as positive electrode active materials used in lithium ion batteries. A typical lithium-based metal oxide is obtained by substituting a part of cobalt atoms of LiCoO 2 that is an initial positive electrode active material with Ni and further a trace amount of metal, and a transition metal composite hydroxide that is a precursor. It is obtained as a powder by firing a mixture of the product and the lithium compound. As the precursor, a precursor obtained by separating and drying a transition metal composite hydroxide obtained by introducing a transition metal salt into an aqueous solution whose pH is controlled is usually used.
リチウム金属複合酸化物粉体の正極活物質としての性能には焼成に用いた前駆体の粒度分布などの性状が大きく関与していることが知られている。そこで、より優れた正極活物質の前駆体として有効なニッケル・コバルト複合水酸化物を製造するための様々な方法が提案されている。 It is known that properties such as the particle size distribution of the precursor used for firing are largely involved in the performance of the lithium metal composite oxide powder as the positive electrode active material. Therefore, various methods for producing a nickel-cobalt composite hydroxide effective as a precursor of a better positive electrode active material have been proposed.
例えば特許文献1(特許第5227306号公報)には、傾斜板沈降装置を有する反応器を用いて球状で規則的な粒子形状を有するいわゆる、NC系前駆体である、ニッケル・コバルト複合水酸化物を製造することが記載されている。特許文献1に開示された製造方法はニッケル及びコバルトを含む複合水酸化物を製造するための汎用性の高い手段ではある。しかし、近年特に注目されているNCA系正極活物質(元素構成:Li(Ni,Co,Al)O2)は、NCA系正極活物質へのアルミニウムの導入方法によりその性能が大きく左右されるにもかかわらず、その製造に用いる手段としては十分な最適化がなされていなかった。
For example, Patent Document 1 (Japanese Patent No. 5227306) discloses a nickel-cobalt composite hydroxide which is a so-called NC-based precursor having a spherical and regular particle shape using a reactor having an inclined plate settling device. Is described. The production method disclosed in
NCA系正極活物質には高エネルギー密度の電極を製造できるという利点があり、近年急速に小型化と高容量化が進行する携帯端末やスマートフォン向けのラミネート電池、車載用のリチウムイオン電池の材料として期待されている。 NCA系正極活物質は、LiCoO2のコバルト原子の一部をニッケルとさらに微量のアルミニウムで置換したものであり、NC前駆体であるニッケル・コバルト複合水酸化物に、アルミニウム化合物とリチウム化合物を加えた混合物、或いはニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物にリチウム化合物を加えた混合物を焼成することによって得られる。ニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の製造では、一般的には、ニッケル原料として硫酸ニッケル、コバルト原料として硫酸コバルト、アルミニウム原料として硫酸アルミニウム或いは、アルミン酸ナトリウムが用いられるが、製品への硫酸根の持ち込みが少ないこと、電極密度を大きく出来るという点からアルミン酸ナトリウムが好適に用いられる。 NCA-based positive electrode active materials have the advantage of being able to produce electrodes with a high energy density, and as a material for laminated batteries for mobile terminals and smartphones, and lithium-ion batteries for automobiles, which are rapidly becoming smaller and higher capacity in recent years. Expected. The NCA-based positive electrode active material is obtained by substituting a part of cobalt atoms of LiCoO 2 with nickel and a small amount of aluminum, and adding an aluminum compound and a lithium compound to a nickel / cobalt composite hydroxide which is an NC precursor. Or a mixture obtained by adding a lithium compound to nickel-cobalt-aluminum composite hydroxide. In the production of nickel-cobalt-aluminum composite hydroxides, nickel sulfate is generally used as the nickel raw material, cobalt sulfate is used as the cobalt raw material, and aluminum sulfate or sodium aluminate is used as the aluminum raw material. Sodium aluminate is preferably used from the viewpoint that the amount of carbon dioxide brought in is small and the electrode density can be increased.
特許文献1に開示された前駆体製造装置及び前駆体製造方法では、専らニッケル・コバルト複合水酸化物の製造のために諸条件が最適化されている。これらの先行技術では前駆体原料として少量のアルミン酸ナトリウムを追加する場合について具体的な考察は行っていない。NCA系正極活物質でも電池性能に影響を与えることが知られている粒度分布などの要件を厳しく制御する必要がある以上、アルミン酸ナトリウムをアルミニウム原料に用いて優れたNCA系正極活物質を製造するためには、ニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の製造条件を改めて検討し、装置及び工程を再設計する必要がある。
In the precursor production apparatus and precursor production method disclosed in
特許文献1は出願人自身が保有する装置に関するものであるが、「自由度を拡張しかつ新しい自由度を作り出す」ものであるだけに、NCA系正極活物質の前駆体の製造に適した設計になっていないことが分かった。
また例えば、特許文献2(特開2011−181193号公報)には例えばAlなどの添加元素Mを含むニッケルーコバルト複合水酸化物粒子の製造において、反応溶液のpH、温度、アンモニア濃度を制御することによって粒径を増加させ、粒度の均一性を高めることが記載されている。しかしながら、特許文献2にもNCA系正極活物質の前駆体であるニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の製造例は具体的には記載されていない。特許文献2に開示された技術でも、NCA系正極活物質の前駆体製造の最適化は十分に検討されていない。
Further, for example, in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-181193), for example, in the production of nickel-cobalt composite hydroxide particles containing an additive element M such as Al, the pH, temperature, and ammonia concentration of the reaction solution are controlled. Increasing the particle size and improving the uniformity of the particle size are described. However,
本発明は、優れたNCA系正極活物質の前駆体として有用なニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の製造と、そのような前駆体を用いたNCA系正極活物質の製造を目的とする。本発明は特に、アルミニウム原料としてアルミン酸ナトリウムを用いたNCA系正極活物質の製造を最適化することを目的とする。 An object of the present invention is to produce a nickel-cobalt-aluminum composite hydroxide useful as an excellent precursor of an NCA-based positive electrode active material, and to produce an NCA-based positive electrode active material using such a precursor. In particular, the present invention aims to optimize the production of an NCA-based positive electrode active material using sodium aluminate as an aluminum raw material.
本発明者らは、ニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の製造における膨大な条件を再検討した。その結果、原料であるニッケル化合物、コバルト化合物、アルミニウム化合物の供給方法を限定することにより、優れた正極活物質を与えるニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物が得られることを見出した。本発明では、沈殿工程においてニッケル化合物、コバルト化合物、アルミニウム化合物をそれぞれ独立した異なる流路で反応器に供給して合成された正極活物質の前駆体を用いることによって、初期充放電効率とレート維持率が高く、しかもガス発生が抑制されたNCA系正極活物質を製造することに成功した。 The present inventors reviewed the enormous conditions in the production of nickel-cobalt-aluminum composite hydroxide. As a result, it has been found that a nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide that provides an excellent positive electrode active material can be obtained by limiting the supply method of the raw material nickel compound, cobalt compound, and aluminum compound. In the present invention, the initial charge / discharge efficiency and the rate are maintained by using a precursor of a positive electrode active material synthesized by supplying nickel compounds, cobalt compounds, and aluminum compounds to the reactor through different channels in the precipitation step. We have succeeded in producing an NCA-based positive electrode active material having a high rate and suppressed gas generation.
すなわち本発明は以下のものである。
(発明1)撹拌手段を備える反応器を用いて複合水酸化物スラリーを吸引、分離、循環してニッケル・コバルト・アルミニウム共沈水酸化物を製造する沈殿工程、ニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物からなる前駆体とリチウム化合物との混合物を焼成する工程とを含み、上記沈殿工程では、ニッケル原料としての硫酸ニッケル水溶液と、コバルト原料としての硫酸コバルト水溶液を、独立した異なる流路で反応器に供給し、アルミニウム原料としてのアルミン酸ナトリウム、水酸化ナトリウム水溶液、アンモニア水をそれぞれ独立した異なる流路で反応器に供給することを特徴とする、組成LiaNibCocAldO2(ただしa=0.8〜1.2、b=0.7〜0.95、c=0.02〜0.2、d=0.005〜0.1であり、かつ、b+c+d=1である。)を有するリチウムイオン電池正極活物質用リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末の製造方法であって、上記沈殿工程で用いる反応器が傾斜板沈降装置を有し、出発物質溶液を前記反応器の反応帯域内への導入時に均質混合するために適合されており、前記傾斜板沈降装置が、前記反応帯域に直接接続されるように前記反応器と一体化され、 かつ少なくとも1つのポンプを介して少なくとも1つの循環容器に接続され、前記反応器内の生成物懸濁液から前記少なくとも1つの循環容器まで濁った液体を吸引し、該濁った液体からフィルタエレメントを通して固体の微粒分級物を除去した後の液体を循環容器から取り出し、かつ反応器へ直接ポンプ返送することによって、前記反応器内の生成物懸濁液の粒度分布が、より高いD50値へ変位されることを特徴とする、リチウムイオン電池正極活物質用リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
(Invention 1) Precipitation step for producing nickel / cobalt / aluminum coprecipitated hydroxide by sucking, separating and circulating the composite hydroxide slurry using a reactor equipped with stirring means, nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide In the above precipitation step, an aqueous nickel sulfate solution as a nickel raw material and an aqueous cobalt sulfate solution as a cobalt raw material are fed into a reactor in independent and separate flow paths. A composition Li a Ni b Co c Al d O 2 (provided by supplying sodium aluminate, an aqueous sodium hydroxide solution, and aqueous ammonia as an aluminum raw material to the reactor through different independent channels, respectively) a = 0.8 to 1.2, b = 0.7 to 0.95, c = 0.02 to 0.2, d = 0.005 to 0 1 and b + c + d = 1)), wherein the reactor used in the precipitation step is an inclined plate. Having a settling device, adapted for intimate mixing of the starting material solution upon introduction into the reaction zone of the reactor, wherein the inclined plate settling device is connected directly to the reaction zone And is connected to at least one circulation vessel via at least one pump and draws a turbid liquid from the product suspension in the reactor to the at least one circulation vessel. After removing the solid fines from the liquid through the filter element, the liquid is removed from the circulation vessel and directly pumped back to the reactor. A method for producing a lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder for a positive electrode active material for a lithium ion battery, wherein the particle size distribution of the product suspension in the reactor is shifted to a higher D50 value.
本発明により、初期充放電効率とレート維持率が高く、ガス発生が抑制されたリチウムイオン電池が提供される。 According to the present invention, a lithium ion battery having high initial charge / discharge efficiency and rate maintenance rate and suppressed gas generation is provided.
[前駆体原料の調整]本発明は、組成LiaNibCocAldO2(ただしa=0.8〜1.2、b=0.7〜0.95、c=0.02〜0.2、d=0.005〜0.1であり、かつ、b+c+d=1である。)を有するリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末の製造方法である。本発明の製造方法では、まず上記リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末の前駆体であるニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物を製造する。 [Preparation of Precursor Raw Material] The present invention provides a composition Li a Ni b Co c Al d O 2 (where a = 0.8 to 1.2, b = 0.7 to 0.95, c = 0.02). 0.2, d = 0.005 to 0.1, and b + c + d = 1.) A method for producing a lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder. In the production method of the present invention, first, a nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide which is a precursor of the lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder is produced.
本発明ではニッケル原料として硫酸ニッケル水溶液(以下「a液」)を用いる。a液の濃度は高いほど好ましいが、気温の変動による硫酸ニッケル結晶の析出を考慮して、好ましくは15重量%以上30重量%以下、さらに好ましくは20重量%以上25重量%以下の濃度に調整される。本発明ではコバルト原料として硫酸コバルト水溶液(以下「b液」)を用いる。b液の濃度も高いほど好ましいが、好ましくは15重量%以上、25重量%以下、さらに好ましくは18重量%以上23重量%以下の濃度に調整される。a液とb液とは別々に準備され、別々の容器に収納される。 In this invention, nickel sulfate aqueous solution (henceforth "a liquid") is used as a nickel raw material. The concentration of solution a is preferably as high as possible, but considering the precipitation of nickel sulfate crystals due to temperature fluctuations, it is preferably adjusted to a concentration of 15 wt% to 30 wt%, more preferably 20 wt% to 25 wt%. Is done. In the present invention, an aqueous cobalt sulfate solution (hereinafter “b solution”) is used as the cobalt raw material. The higher the concentration of solution b, the better. However, the concentration is preferably adjusted to 15% by weight or more and 25% by weight or less, more preferably 18% by weight or more and 23% by weight or less. Liquid a and liquid b are prepared separately and stored in separate containers.
アルミニウム原料としてはアルミン酸ナトリウムを用いる。アルミン酸ナトリウムは濃度が1重量%以上50重量%以下、好ましくは1重量%以上20重量%以下の水溶液(以下「c液」)として供給される。 Sodium aluminate is used as the aluminum raw material. Sodium aluminate is supplied as an aqueous solution (hereinafter “liquid c”) having a concentration of 1% by weight to 50% by weight, preferably 1% by weight to 20% by weight.
共沈反応ではこのほかにpH調節剤として水酸化ナトリウム水溶液と、錯化剤としてアンモニア水を供給する。これらはa液、b液、c液とは異なる流路で反応器に供給される。 In the coprecipitation reaction, an aqueous sodium hydroxide solution as a pH regulator and ammonia water as a complexing agent are supplied. These are supplied to the reactor through a different flow path from the liquid a, liquid b, and liquid c.
[沈殿工程]前駆体の原料であるa液、b液、c液を反応器に供給し、ニッケル・コバルト・アルミニウムの複合水酸化物(以下「複合水酸化物」)を製造する。反応器内の水溶液のpHは共沈反応に適当な範囲、一般的には7〜14、好ましくは9〜12の範囲に制御される。反応液の温度は複合水酸化物が生成する温度であれば制限はないが、生産効率上は40℃〜60℃の範囲が一般的である。反応器本体の形状や材質に特に制限はなく、いわゆるタンク形状のステンレス容器が制限なく使用される。 [Precipitation step] Liquids a, b and c, which are precursor raw materials, are supplied to a reactor to produce a nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide (hereinafter referred to as “composite hydroxide”). The pH of the aqueous solution in the reactor is controlled to a range suitable for the coprecipitation reaction, generally 7 to 14, preferably 9 to 12. Although there will be no restriction | limiting if the temperature of a reaction liquid is a temperature which a composite hydroxide produces | generates, The range of 40 to 60 degreeC is common on production efficiency. There is no particular limitation on the shape and material of the reactor main body, and so-called tank-shaped stainless steel containers are used without limitation.
反応器には、a液、b液、c液の独立した異なる供給路が接続する。反応器にはさらにpH調節剤(水酸化ナトリウム水溶液)、錯化剤(アンモニア水)、純水の供給路が付属する。各供給路は通常のパイプ、ポンプ、流量センサーから構成されており、供給量が制御される。これらの供給路は一般的には反応器の頂部に連結する。 The reactor is connected to different supply paths for liquid a, liquid b and liquid c. The reactor is further provided with a pH regulator (aqueous sodium hydroxide solution), a complexing agent (ammonia water), and a pure water supply path. Each supply path is composed of a normal pipe, a pump, and a flow rate sensor, and the supply amount is controlled. These feed lines are generally connected to the top of the reactor.
反応器内部には撹拌手段が設けられている。撹拌手段に特に制限はない。モーターで回転数を制御される撹拌翼であれば、プロペラ、バドル、フラットバドル、タービン、コーン、スクリュー、リボンなど各種の形状のものを使用することができる。撹拌回転数を制御することによって複合水酸化物の粒子形状を調節することができる。撹拌回転数は複合水酸化物が微粒子状に形成される範囲であれば特に制限はないが、一般的にはパドル翼を用いた場合300rpm〜800rpm、好ましくは400rpm〜700rpmの範囲に制御される。 Stirring means is provided inside the reactor. There is no particular limitation on the stirring means. As long as the impeller is controlled by a motor, various shapes such as a propeller, a paddle, a flat paddle, a turbine, a cone, a screw, and a ribbon can be used. The particle shape of the composite hydroxide can be adjusted by controlling the stirring speed. The stirring rotation speed is not particularly limited as long as the composite hydroxide is formed in the form of fine particles, but is generally controlled within a range of 300 rpm to 800 rpm, preferably 400 rpm to 700 rpm when a paddle blade is used. .
反応器には、生成した複合水酸化物スラリーの抜出口が設けられる。抜出口の位置は、反応器の上部から底部までの任意の位置でよい。抜出口にはスラリーを反応器外に導く管と、この管に連結するポンプが連結する。沈殿反応が定常状態に達すると、ポンプによって一定流量でニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物スラリーが反応器から取り出され、次の乾燥工程に移される。 The reactor is provided with an outlet for the produced composite hydroxide slurry. The position of the outlet may be any position from the top to the bottom of the reactor. A pipe for guiding the slurry to the outside of the reactor and a pump connected to the pipe are connected to the outlet. When the precipitation reaction reaches a steady state, the nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide slurry is taken out from the reactor at a constant flow rate by a pump and transferred to the next drying step.
反応器には、複合水酸化物スラリーを固体画分と液体画分に分離する装置(分離装置)が連結する。分離機構としては、遠心分離装置やフィルターなどが用いられる。ポンプと吸引パイプを用いて一定量の複合水酸化物スラリーが反応器から吸引され、分離機構まで送られる。分離機構で、複合水酸化物スラリーはニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の粒子からなる固体画分と、水溶液とニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の微粒子からなる液体画分とに分離される。分離された液体画分の一部は反応器の外に排出され、残りの液体画分と固体画分は反応器内に戻される。このように分離機構を介してスラリーが反応器内外を循環する。このようなスラリーの循環によって反応器内の複合水酸化物の濃度を制御することができる。反応器内のスラリーの固体濃度が50g/L以上に制御されれば、生産効率上は問題がない。 An apparatus (separation apparatus) for separating the composite hydroxide slurry into a solid fraction and a liquid fraction is connected to the reactor. As the separation mechanism, a centrifugal separator or a filter is used. A certain amount of composite hydroxide slurry is sucked from the reactor using a pump and a suction pipe and sent to a separation mechanism. The separation mechanism separates the composite hydroxide slurry into a solid fraction composed of nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide particles and a liquid fraction composed of aqueous solution and nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide particles. The A part of the separated liquid fraction is discharged out of the reactor, and the remaining liquid fraction and solid fraction are returned to the reactor. In this way, the slurry circulates inside and outside the reactor through the separation mechanism. The concentration of the composite hydroxide in the reactor can be controlled by such circulation of the slurry. If the solid concentration of the slurry in the reactor is controlled to 50 g / L or more, there is no problem in production efficiency.
このような複合水酸化物スラリーの吸引、分離、循環を、特許第5227306号公報に開示された傾斜板沈降装置を用いて行うと効率的である。傾斜板沈降装置は、溶液から固体を沈殿させることにより化合物を製造するための装置及び方法に使用される。傾斜板沈降装置を備える沈殿装置を用いると、沈殿の際に形成される固体の粒子の物理的及び化学的な性質が極めてフレキシブルに及び互いに独立して調節されることができ、テーラーメードの生成物が極めて高い空時収率で製造される。 It is efficient to perform such suction, separation and circulation of the composite hydroxide slurry using the inclined plate settling device disclosed in Japanese Patent No. 5227306. Inclined plate settling devices are used in devices and methods for producing compounds by precipitating solids from solution. Using a settling device with a tilted plate settling device, the physical and chemical properties of the solid particles formed during the precipitation can be adjusted very flexibly and independently of each other, tailor-made products Is produced with a very high space-time yield.
傾斜板沈降装置の対象は、複合水酸化物が生成する反応器に接続され、反応器内のスラリーを分取、その固体画分と水溶液と微粒子とからなる液体画分を分離し、スラリーの一部を反応器に返送することのできる、体型反応器・清澄器系(IRKS)である。 The target of the inclined plate settling device is connected to a reactor where composite hydroxide is generated, and the slurry in the reactor is separated, the liquid fraction composed of the solid fraction, aqueous solution and fine particles is separated, and the slurry is separated. It is a body-type reactor / clarifier system (IRKS) that can be partially returned to the reactor.
傾斜板沈降装置を備えるIRKSの使用によって、化合物の沈殿後に生成物及び母液からなる生成物懸濁液の形成下に、傾斜板沈降装置を経て母液及び粒子が除去されるので、固体濃度の増加が達成される。 The use of IRKS with a tilted plate settling device increases the solids concentration as the mother liquor and particles are removed via the tilted plate settling device in the formation of a product suspension consisting of the product and the mother liquor after compound precipitation. Is achieved.
反応器には、開口部が設けられていてよく、これを経て場合によりポンプを用いて、懸濁液が除去されることができ、かつ反応器へポンプ返送されることができる。均質な沈殿生成物を得るために、出発物質が、反応器中への投入の際に良好に混合されることが重要である。この反応器は、撹拌反応器としても操作されることができる。傾斜板沈降装置が設置されたIRKS中の沈殿プロセスは、生成物に依存して温度を調整することができる。IRKSにおけるプロセス温度は、必要な場合には、熱交換器を介して加熱もしくは冷却により制御される。 The reactor may be provided with an opening through which the suspension can be removed, optionally using a pump, and pumped back to the reactor. In order to obtain a homogeneous precipitation product, it is important that the starting materials are well mixed upon charging into the reactor. This reactor can also be operated as a stirred reactor. The precipitation process in IRKS equipped with an inclined plate settling device can adjust the temperature depending on the product. The process temperature in IRKS is controlled by heating or cooling via a heat exchanger, if necessary.
IRKSは、スラリーからの化合物の分離のために使用される。傾斜板沈降装置中で、母液は、微粒分級物と共に生成物懸濁液から分離される。微量の固体を含有するこの濁った液体は、大部分が反応器へ返送され、生成物懸濁液と再び合一される。この濁った液体の一部を取り出すことにより、生成物懸濁液から微粒分級物が取り除かれ、粒度分布はより高いD50値へ変位される。傾斜板沈降装置のさらなる目的は、スラリーが予め清浄化され、固体含有量が小さな液体を提供することであり、この液体からろ過等の単純な方法で澄明な母液を分離することができる。 IRKS is used for the separation of compounds from the slurry. In the inclined plate settling device, the mother liquor is separated from the product suspension along with the fines fraction. This turbid liquid containing trace amounts of solids is mostly returned to the reactor and recombined with the product suspension. By removing a portion of this turbid liquid, the fines fraction is removed from the product suspension and the particle size distribution is shifted to a higher D50 value. A further purpose of the inclined plate settling device is to provide a liquid with a pre-cleaned slurry and a low solids content, from which a clear mother liquor can be separated by a simple method such as filtration.
傾斜板沈降装置の分離性能を高めるために、1つ又はそれ以上のラメラが取り付けられることができ、それらの上で固体粒子は、これらが沈降によってラメラの表面に達した後に、下の方へ均質に混合された懸濁液中へ滑り落ちる。傾斜板沈降装置に設けられたラメラは図1、図2に模式的に表される。 To enhance the separation performance of the inclined plate settling device, one or more lamellae can be attached, on which the solid particles move downward after they reach the surface of the lamella by settling. Slide down into the homogeneously mixed suspension. The lamella provided in the inclined plate settling device is schematically represented in FIGS.
ラメラ(2、5)は傾斜板沈降装置(1、4)中でその床面に対して平行平面に配置されている。ラメラは、プラスチック、ガラス、木材、金属又はセラミックからなっていてよい長方形のプレートである。ラメラ(2、5)の厚さは、材料及び生成物に依存して10cmまでであってよい。好ましくは、0.5〜5cm、特に好ましくは0.5〜1.5cmの厚さを有するラメラが使用される。ラメラ(2、5)は、傾斜板沈降装置(1、4)中に固定して取り付けられる。これらは、取り外し可能であってもよい。この場合に、これらは、傾斜板沈降装置(1、4)の内側に側面で取り付けられたレールシステム(6)又は溝(3)を介して、傾斜板沈降装置(1、4)中へ入れられる。前記レールシステム(6)の高さが調節可能に設計されていてもよく、それにより傾斜板沈降装置(1、4)にラメラ(2、5)の間隔の選択に関して大きなフレキシビリティーが付与される。傾斜板沈降装置は、丸い断面を有する円筒形に又は四角形の断面を有する平行六面体形に構成されていてよい。粒子の滑り落ちが傾斜板沈降装置の閉塞なく機能するために、傾斜板沈降装置の角度は水平面に対して20〜85゜、好ましくは40〜70゜及び特に好ましくは50〜60゜である。傾斜板沈降装置は、フレキシブルな結合部を介して反応器に取り付けられていてもよい。この実施態様の場合に、角度はプロセス中に可変に調節されることができる。 The lamellae (2, 5) are arranged in a plane parallel to the floor surface in the inclined plate settling device (1, 4). A lamella is a rectangular plate that may be made of plastic, glass, wood, metal or ceramic. The thickness of the lamellae (2, 5) can be up to 10 cm, depending on the material and the product. Preferably, lamellae having a thickness of 0.5 to 5 cm, particularly preferably 0.5 to 1.5 cm are used. The lamellae (2, 5) are fixedly mounted in the inclined plate settling device (1, 4). These may be removable. In this case, they are put into the inclined plate settling device (1, 4) via a rail system (6) or groove (3) mounted on the side inside the inclined plate settling device (1, 4). It is done. The height of the rail system (6) may be designed to be adjustable, which gives the inclined plate settling device (1, 4) great flexibility with regard to the selection of the lamella (2, 5) spacing. The The inclined plate settling device may be configured in a cylindrical shape having a round cross section or a parallelepiped shape having a square cross section. In order for the particle slip-off to function without obstruction of the inclined plate settling device, the angle of the inclined plate settling device is 20 to 85 °, preferably 40 to 70 ° and particularly preferably 50 to 60 ° with respect to the horizontal plane. The inclined plate settling device may be attached to the reactor via a flexible joint. In this embodiment, the angle can be variably adjusted during the process.
傾斜板沈降装置によるIRKSの機能様式をよりよく理解するために、以下に、図3に基づいて詳細に説明する。 In order to better understand the functional mode of IRKS by the inclined plate settling device, it will be described in detail with reference to FIG.
固体粒子(7)は、傾斜板沈降装置中で、それらの形状及びサイズに応じて、一定速度で下の方へ沈降する。例えばストークス摩擦を前提とするならば、有効重力によって引き起こされる球状粒子の沈降速度は、粒子直径の2乗に比例する。この速度は傾斜板沈降装置中の層流の速度の上方成分と重なり合っている。沈降速度が液体流の上方成分よりも小さいか又は同じである全ての固体粒子は、ラメラ(8)の表面又は傾斜板沈降装置の床面までは沈降することはできず、かつ最終的に傾斜板沈降装置の溢流と共に排出される。 The solid particles (7) settle down at a constant rate in the inclined plate settling device, depending on their shape and size. For example, assuming Stokes friction, the settling velocity of spherical particles caused by effective gravity is proportional to the square of the particle diameter. This velocity overlaps with the upper component of the laminar flow velocity in the inclined plate settling device. All solid particles whose settling velocity is less than or equal to the upper component of the liquid stream cannot settle down to the surface of the lamella (8) or the floor of the tilted plate settling device, and eventually tilt It is discharged with the overflow of the plate settling device.
粒子の沈降速度が液体流の上方成分よりも大きい場合には、粒子の下方運動は一定の沈降速度で生じる。そのように粒子が溢流と共に傾斜板沈降装置から排出されるかどうかは、液体の一定流量で、傾斜板沈降装置に入る際の粒子とラメラの垂直方向の間隔に、並びに傾斜板沈降装置の長さ及び傾斜角度に依存する。臨界粒子半径r0が存在することが容易にわかるので、r>r0を有する全ての粒子が、傾斜板沈降装置によって完全に保持される。図3中の直線(9)は、限界半径r0を有する粒子の軌跡を示す。半径がより大きい全ての粒子の軌跡は、水平面に対してより小さい角度を有し、故にラメラ又は床板上に確実に衝突する。これは、これらの粒子が保持されることを意味する。傾斜板沈降装置中の比、特に液体の流量を調節することにより、傾斜板沈降装置を溢流で去る微粒子の粒子直径の上限を調節することができる。 If the particle settling velocity is greater than the upper component of the liquid stream, the downward movement of the particles occurs at a constant settling velocity. Whether the particles are discharged from the inclined plate settling device along with the overflow is determined by the constant flow rate of the liquid, the vertical distance between the particles and the lamella when entering the inclined plate settling device, and the inclination of the inclined plate settling device. Depends on length and tilt angle. Since it is easy to see that there is a critical particle radius r0, all particles with r> r0 are completely retained by the inclined plate settling device. A straight line (9) in FIG. 3 shows the trajectory of the particle having the limit radius r0. The trajectories of all particles with larger radii have a smaller angle with respect to the horizontal plane and thus reliably impinge on the lamella or floorboard. This means that these particles are retained. By adjusting the ratio in the inclined plate settling device, particularly the flow rate of the liquid, the upper limit of the particle diameter of the fine particles leaving the inclined plate settling device in the overflow can be adjusted.
傾斜板沈降装置の溢流が、循環容器を経て撹拌反応器へ返送される限りは、全系では何も変わらない。ポンプを用いて、固体の微細含分により濁った液体量の一部を循環容器から取り出す場合には、微粒の定義された分率が排出され、かつ粒度分布へ直接干渉することができる。それにより粒度並びに粒度分布は、他のプラントパラメーターから独立して影響を与えることができる。 As long as the overflow of the inclined plate settling device is returned to the stirred reactor via the circulation vessel, nothing changes in the entire system. When using a pump to remove from the circulation vessel a part of the turbid liquid volume due to the fine content of solids, a defined fraction of fines is discharged and can directly interfere with the particle size distribution. Thereby the particle size as well as the particle size distribution can be influenced independently of other plant parameters.
循環容器中へ入る際の固体濃度が典型的には反応器中の固体濃度0.5〜5%である濁った流れの前記の取り出しにより、反応器中の懸濁液の固体濃度ももちろん同時に高められる、それというのも、微粒含分の意図的な取り出しと共に、全系から不釣り合いに多く母液が取り出されるからである。これは通例望ましいが、しかし、反応器中の固体濃度が低い水準に保持されるべき場合及び他の物質の流れの調節により固体濃度の増加を十分に打ち消されることができない場合に望ましくない。量及び仕様に応じて、この微細含分は引き続き、再び生成物懸濁液と混合されることができる。反応器−清澄器−系中での分離が決定的である。 Of course, at the same time, the solids concentration of the suspension in the reactor is simultaneously with this removal of a turbid stream with a solids concentration of 0.5-5% solids in the reactor as it enters the circulation vessel. This is because, with the intentional removal of the fines content, a large amount of mother liquor is unbalanced from the entire system. This is usually desirable, but is not desirable when the solids concentration in the reactor is to be kept at a low level and when the increase in solids concentration cannot be satisfactorily countered by regulating the flow of other materials. Depending on the quantity and specification, this fine content can subsequently be mixed again with the product suspension. Separation in the reactor-clarifier-system is critical.
この場合に、混濁物の固体濃度を高めるために、フィルタエレメントを経て、母液を循環容器から取り出し、かつ反応器へ直接ポンプ返送することが考えられる。同じ量の微粒を排出する際に、母液がより少なく取り除かれる。サイズが粒度分布のD50値の30%を越えない粒子が微粒と呼ばれる。循環容器中で前記系から母液をフィルタエレメントを介して取り出すことも有利でありうる。これにより、反応器中の固体含量を、第一に化学量論的な固体濃度の数倍に高めることができ、かつ第二に場合により沈殿反応の際に生じる中性塩の濃度と固体濃度との間の切り離しを達成することができる。反応器中の固体対塩の濃度比は、母液の取り出しの可能性により、例えば一定の塩濃度での固体濃度の増加によってだけでなく、一定の固体濃度で反応器に塩不含の溶剤が添加され、かつ同時に等量の母液が、フィルタエレメントを介して前記系から取り出されることによっても、増加されることができる。 In this case, in order to increase the solid concentration of the turbid material, it is conceivable that the mother liquor is taken out of the circulation vessel through the filter element and directly pumped back to the reactor. Less mother liquor is removed when discharging the same amount of granules. Particles whose size does not exceed 30% of the D50 value of the particle size distribution are called fine particles. It may also be advantageous to remove the mother liquor from the system in the circulation vessel via a filter element. This allows the solids content in the reactor to be increased, firstly to several times the stoichiometric solids concentration, and secondly the neutral salt concentration and solids concentration that may occur during the precipitation reaction. Can be achieved. The concentration ratio of solid to salt in the reactor depends on the possibility of removal of the mother liquor, e.g. not only by increasing the solid concentration at a constant salt concentration, but also by the presence of salt-free solvent in the reactor at a constant solid concentration. It can also be increased by adding and simultaneously removing an equal volume of mother liquor from the system via the filter element.
傾斜板沈降装置によるIRKSのフレキシビリティーの増加と同時に付加的な自由度の達成は、双方のパラメーター塩濃度及び固体含量の例で一般的な反応AX+BY→AY固体+BX溶解についてより詳細に説明される。AX及びBYは、出発物質溶液中の出発物質を表し、かつBXは母液中の溶解された塩を表す。AYは、不溶性固体として生じる生成物を表す。 The increase in IRKS flexibility with the inclined plate settling device and the achievement of additional degrees of freedom are explained in more detail for the general reaction AX + BY → AY solid + BX dissolution in both parameter salt concentration and solid content examples. The AX and BY represent the starting material in the starting material solution and BX represents the dissolved salt in the mother liquor. AY represents the product that occurs as an insoluble solid.
傾斜板沈降装置によるIRKSは、バッチ式に行われる沈殿に使用されることができる。しかしながら好ましくは、このIRKSは連続式操作における沈殿プロセスにより好適に使用される。 IRKS with an inclined plate settling device can be used for precipitation carried out batchwise. Preferably, however, this IRKS is suitably used for precipitation processes in continuous operation.
傾斜板沈降装置は、さらに、沈殿による化合物の製造方法に関するものであり、前記方法において、個々のプロセスパラメーター、例えば(出発物質の濃度、懸濁液中の固体含量、母液中の塩濃度)は、沈殿中に互いに独立して調節され、こうして沈殿プロセス中の粒度分布の展開への制御された干渉が行われ、かつ最終的に定義された物理的性質を有するオーダーメードの生成物が特に経済的に及び極めて高い空時収率で製造される。 The inclined plate settling device further relates to a process for the production of compounds by precipitation, in which the individual process parameters such as (concentration of starting material, solid content in suspension, salt concentration in mother liquor) are: Custom-made products that are regulated independently of one another during precipitation, thus providing controlled interference with the development of the particle size distribution during the precipitation process, and finally having defined physical properties are particularly economical And very high space-time yields.
傾斜板沈降装置の対象は故に、次の工程からなる沈殿による化合物の製造方法である:
・少なくとも第一、第二及び第三の出発物質溶液を準備する工程、
・少なくとも第一、第二及び第三の出発物質溶液を請求項1記載の反応器中で合一する工程、
・反応器中に均質混合される反応帯域を発生させる工程、
・反応帯域中で化合物を沈殿させ、不溶性生成物及び母液からなる生成物懸濁液を製造する工程、
・沈殿された生成物から母液を、傾斜板沈降装置を介して部分的に分離する工程、
・沈殿生成物の濃度が化学量論的な濃度よりも高い沈殿生成物懸濁液を製造する工程、
・生成物懸濁液を反応器から取り出す工程、
・沈殿生成物をろ過、洗浄及び乾燥する工程。
The object of the inclined plate settling device is therefore a process for the production of compounds by precipitation comprising the following steps:
Providing at least a first, second and third starting material solution;
Combining the at least first, second and third starting material solutions in the reactor of
Generating a reaction zone that is homogeneously mixed in the reactor;
The step of precipitating the compound in the reaction zone to produce a product suspension consisting of insoluble product and mother liquor,
-Partly separating the mother liquor from the precipitated product via an inclined plate settling device;
Producing a precipitation product suspension in which the concentration of the precipitation product is higher than the stoichiometric concentration,
Removing the product suspension from the reactor,
-Filtering, washing and drying the precipitated product.
傾斜板沈降装置による方法における出発物質溶液は、反応器中へ、ポンプ系を用いて導通される。これが撹拌反応器を備えた傾斜板沈降装置によるIRKSである場合には、出発物質は、撹拌機を使用しながら混合される。IRKSが噴流型反応器の形で設計されている場合には、出発物質の混合は、ノズルから出てくるジェットにより行われる。出発物質のさらにより良好な混合を達成するために、付加的に空気又は不活性ガスも、反応器中へ導通されていてよい。均一な生成物品質を達成するために、出発物質が反応器の反応帯域中で均質に混合されていることが必要である。出発物質を混合するかもしくは均質化する間に既に、生成物及び母液が発生する沈殿反応が始まる。生成物懸濁液は、反応器下部中で所望の濃度まで豊富化される。生成物懸濁液の意図的な豊富化を達成するために、傾斜板沈降装置による方法において、母液は、傾斜板沈降装置を介して、部分的に除去される。好ましくは、傾斜板沈降装置の溢流の取り出しによる母液の部分的な分離は、ポンプを用いて行われる。 The starting material solution in the inclined plate settling process is conducted into the reactor using a pump system. If this is IRKS with a tilted plate settling device equipped with a stirred reactor, the starting materials are mixed using a stirrer. If IRKS is designed in the form of a jet reactor, the starting materials are mixed by a jet coming out of the nozzle. In order to achieve even better mixing of the starting materials, additionally air or inert gas may be passed into the reactor. In order to achieve a uniform product quality, it is necessary that the starting materials are homogeneously mixed in the reaction zone of the reactor. Already during the mixing or homogenization of the starting material, a precipitation reaction is initiated in which product and mother liquor are generated. The product suspension is enriched to the desired concentration in the lower reactor. In order to achieve the intentional enrichment of the product suspension, the mother liquor is partly removed via the inclined plate settling device in the method using the inclined plate settling device. Preferably, the partial separation of the mother liquor by removing the overflow from the inclined plate settling device is performed using a pump.
傾斜板沈降装置による方法に従って、沈殿生成物の化学量論的に可能な濃度の何倍でありうる沈殿生成物懸濁液の濃度が達成される。これは、可能な化学量論値よりも20倍まで高くなりうる。懸濁液中の特に高い生成物濃度を達成するためには、大量の母液を部分的に除去することが必要である。それどころか95%までの母液が部分的に分離されることができる。部分的に分離すべき母液の量は、選択されたプロセスパラメーター、例えば出発物質濃度、母液の塩濃度並びに懸濁液の固体濃度に依存する。 According to the method with the inclined plate settling device, a concentration of the precipitated product suspension is achieved which can be many times the stoichiometrically possible concentration of the precipitated product. This can be up to 20 times higher than the possible stoichiometric value. In order to achieve a particularly high product concentration in the suspension, it is necessary to partially remove a large amount of mother liquor. On the contrary, up to 95% of the mother liquor can be partially separated. The amount of mother liquor to be partially separated depends on the selected process parameters, such as the starting material concentration, the salt concentration of the mother liquor, and the solids concentration of the suspension.
本発明の沈殿工程ではこのような傾斜板沈降装置を図4に模式的に示すように反応器に結合して複合水酸化物を製造することができる。 In the precipitation step of the present invention, such an inclined plate settling device can be combined with a reactor as shown schematically in FIG. 4 to produce a composite hydroxide.
回転数を制御可能な撹拌機(10)、熱交換器(11)、傾斜板沈降装置(12)を備えた反応器(13)に、独立したパイプ及びポンプ(23)〜(27)からなる供給経路が接続する。ポンプ(23)〜(27)のそれぞれから連続的に硫酸ニッケル水溶液(a液)、硫酸コバルト水溶液(b液)、アルミン酸ナトリウム水溶液(c液)、水酸化ナトリウム水溶液、アンモニア水が一体型反応器−清澄器−系(IRKS)の反応帯域中へ搬送される。反応器(13)で生じるスラリーは、ポンプ(14)を用いて液位の調節装置を介して取り出される。大きな粒子が製造される場合に、沈降の危険を予防するために、循環ポンプ(16)を運転することは有利でありうる。 A reactor (13) equipped with a stirrer (10) capable of controlling the number of revolutions, a heat exchanger (11), and an inclined plate settling device (12), and comprising independent pipes and pumps (23) to (27). Supply path is connected. Continuous reaction of nickel sulfate aqueous solution (liquid a), cobalt sulfate aqueous solution (liquid b), sodium aluminate aqueous solution (liquid c), sodium hydroxide aqueous solution, and aqueous ammonia from each of the pumps (23) to (27). Into the reactor-clarifier-system (IRKS) reaction zone. Slurry generated in the reactor (13) is taken out via a liquid level regulator using a pump (14). It may be advantageous to operate the circulation pump (16) to prevent the risk of settling when large particles are produced.
ポンプ(17)は、極めて低い濃度の微粒を有するスラリーを、撹拌機が備えられた循環容器(18)中へ搬送し、かつそこから反応器(13)中へ返送することができる。液体の体積流量及び傾斜板沈降装置の寸法決定に依存した分離サイズを下回る粒子のみが、循環容器(18)中へ搬送される。ポンプ(17)を用いて取り出された全ての濁った流れが、スラリー流れ(19)を経て返送される限りは、反応器(13)について全く何も変わらない。 The pump (17) can carry the slurry with very low concentrations of fine particles into a circulation vessel (18) equipped with a stirrer and from there back into the reactor (13). Only particles below the separation size depending on the liquid volume flow rate and the sizing of the inclined plate settling device are conveyed into the circulation vessel (18). As long as all the turbid stream removed using the pump (17) is returned via the slurry stream (19), nothing changes for the reactor (13).
循環容器(18)からから澄明な母液を取り出し、かつこれを第二の循環容器(20)中へ搬送することによって母液及び/又は固体粒子を前記系から取り出すこともできる。ポンプ(21)は第一の循環容器(18)から澄明な母液を取り出し、かつこれを第二の循環容器(20)中へ搬送する。第二の循環容器(20)内の溶液のpH値などを連続的に分析し、共沈反応器全体で母液の組成を制御することができる。
また、第一の循環容器(18)に蓄積された澄明な母液をポンプ(22)によって排出することによって、澄明な母液に含まれるきわめて微粒の沈殿物を沈殿反応器から除去することもできる。
It is also possible to remove the mother liquor and / or solid particles from the system by removing the clear mother liquor from the circulation vessel (18) and transporting it into the second circulation vessel (20). The pump (21) takes the clear mother liquor from the first circulation vessel (18) and conveys it into the second circulation vessel (20). The pH value of the solution in the second circulation vessel (20) can be continuously analyzed, and the composition of the mother liquor can be controlled in the entire coprecipitation reactor.
In addition, by discharging the clear mother liquor accumulated in the first circulation vessel (18) by the pump (22), it is possible to remove very fine precipitates contained in the clear mother liquor from the precipitation reactor.
[複合水酸化物の分離・乾燥]反応器内で目的量の原料が反応し終わった時点で、反応器の排出口からスラリーを取り出し、濾過する。こうして複合水酸化物を含む固体画分が分離される。さらに固体画分を洗浄する。洗浄は常法に従えばよく、アルカリ性水溶液と純水を用いて複合水酸化物に含まれる硫酸塩、アルカリ成分が十分除去されるまで洗浄する。こうして、水分を含む複合水酸化物が分離される。 [Separation / Drying of Composite Hydroxide] When the target amount of the raw material has been reacted in the reactor, the slurry is taken out from the outlet of the reactor and filtered. In this way, the solid fraction containing the composite hydroxide is separated. Further, the solid fraction is washed. Washing may be carried out in accordance with a conventional method, and washing is performed using an alkaline aqueous solution and pure water until the sulfate and alkali components contained in the composite hydroxide are sufficiently removed. In this way, the composite hydroxide containing moisture is separated.
次に、分離した水分を含む複合水酸化物を乾燥する。乾燥方法は、大気圧下での熱風乾燥、赤外線乾燥、高周波乾燥、真空乾燥などのいずれでもよい。短時間で乾燥することができる真空乾燥が好ましい。複合水酸化物中の水分が1重量%程度になるまで乾燥する。こうして、前駆体としてのニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物の粉末が得られる。 Next, the separated composite hydroxide containing moisture is dried. The drying method may be any of hot air drying under atmospheric pressure, infrared drying, high frequency drying, vacuum drying, and the like. Vacuum drying which can be dried in a short time is preferable. Dry until the water content in the composite hydroxide is about 1% by weight. Thus, a nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide powder as a precursor is obtained.
[焼成]前駆体粉末にリチウム原料を加え、酸素存在下で450?900℃の温度域で焼成する。リチウム原料としては水酸化リチウム粉末もしくは炭酸リチウム粉末が一般的である。焼成を複数回行うこともできる。いずれの回の焼成でも最高温度で2時間?30時間保持して反応を完了させる。焼成する際に用いる焼成炉に制限はないが、管状炉、マッフル炉、RK(ロータリーキルン)、RHK(ローラーハースキルン)などが好ましい。特に好ましい焼成炉はRHKである。焼成物を適宜水洗、粉砕、乾燥して、目的のリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物粉末が得られる。 [Baking] A lithium raw material is added to the precursor powder, and baking is performed in the temperature range of 450 to 900 ° C. in the presence of oxygen. As the lithium raw material, lithium hydroxide powder or lithium carbonate powder is generally used. Firing can also be performed multiple times. What is the maximum temperature for 2 hours in any firing? Hold for 30 hours to complete the reaction. Although there is no restriction | limiting in the baking furnace used when baking, A tubular furnace, a muffle furnace, RK (rotary kiln), RHK (roller hearth kiln), etc. are preferable. A particularly preferred firing furnace is RHK. The fired product is appropriately washed with water, pulverized and dried to obtain the desired lithium / nickel / cobalt / aluminum composite oxide powder.
[正極活物質]得られたリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末を単独で正極活物質として用いることができる。あるいは、他のリチウムイオン電池用正極活物質を混合したものを正極活物質として用いてもよい。また、本発明の製造方法で粒径や組成の異なる複数種のリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末を製造し、これらの混合物を正極活物質として用いてもよい。 [Positive electrode active material] The obtained lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder can be used alone as a positive electrode active material. Alternatively, a mixture of other positive electrode active materials for lithium ion batteries may be used as the positive electrode active material. Further, a plurality of types of lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powders having different particle sizes and compositions may be produced by the production method of the present invention, and a mixture thereof may be used as the positive electrode active material.
[電池製造]このようにして得られた正極活物質、導電助剤であるカーボンブラック、バインダー、溶媒を混合して正極合剤を調製し、この正極合剤を集電体に塗布、乾燥することによってリチウムイオン電池の正極を製造することができる。集電体としてアルミニウム箔を使用した薄膜状正極を、薄膜状負極と電解液と共に積層・封入して得られるラミネート電池は、小型化の要求に応えるリチウムイオン電池として有用である。 [Battery Production] The positive electrode active material thus obtained, carbon black as a conductive additive, a binder, and a solvent are mixed to prepare a positive electrode mixture, and this positive electrode mixture is applied to a current collector and dried. Thus, the positive electrode of the lithium ion battery can be manufactured. A laminated battery obtained by laminating and encapsulating a thin film positive electrode using an aluminum foil as a current collector together with a thin film negative electrode and an electrolyte is useful as a lithium ion battery that meets the demand for miniaturization.
[実施例1]以下に示す原料溶液及びその他の反応用液体を準備した。
・a液:ニッケルを濃度8.2重量%で含む硫酸ニッケル水溶液(硫酸ニッケル濃度:21.6重量%)。
・b液:コバルトを濃度8.2重量%で含む硫酸コバルト水溶液(硫酸コバルト濃度:21.6重量%)。
・c液:アルミニウムを濃度3.3重量%で含むアルミン酸ナトリウム水溶液(アルミン酸ナトリウム濃度:10重量%)。
・(錯化剤)アンモニアを濃度25重量%で含むアンモニア水
・(pH調節剤)水酸化ナトリウムを濃度25重量%で含む水酸化ナトリウム水溶液。
・純水
図4に示す沈殿槽内に濃度16重量%の硫酸ナトリウム水溶液を満たし、傾斜板沈降装置を介して水溶液を循環させながら撹拌回転数を550rpm、反応液の温度を65℃に維持した。ニッケル:コバルト:アルミニウムの原子比が82:16:2となるように上記a液、b液、c液、その他の材料を各々別々に供給し、共沈反応を開始した。
[Example 1] The following raw material solutions and other reaction liquids were prepared.
Solution a: nickel sulfate aqueous solution containing nickel at a concentration of 8.2% by weight (nickel sulfate concentration: 21.6% by weight).
Liquid b: A cobalt sulfate aqueous solution containing cobalt at a concentration of 8.2% by weight (cobalt sulfate concentration: 21.6% by weight).
Liquid c: An aqueous sodium aluminate solution containing aluminum at a concentration of 3.3% by weight (sodium aluminate concentration: 10% by weight).
(Complexing agent) Aqueous ammonia containing ammonia at a concentration of 25% by weight (pH adjusting agent) A sodium hydroxide aqueous solution containing sodium hydroxide at a concentration of 25% by weight.
Pure water The sodium sulfate aqueous solution with a concentration of 16% by weight was filled in the precipitation tank shown in FIG. 4, and the stirring rotation speed was maintained at 550 rpm and the reaction liquid temperature was maintained at 65 ° C. while circulating the aqueous solution through the inclined plate settling device. . The liquid a, liquid b, liquid c, and other materials were separately supplied so that the atomic ratio of nickel: cobalt: aluminum was 82: 16: 2, and the coprecipitation reaction was started.
反応液のpHを11.0以上11.5の範囲内に制御して複合水酸化物の生成反応を進行させた。固体濃度が200g/Lに達しさらに安定するまで、母液の抜き出し及びスラリーの抜き出しを行った。原料の供給開始から72時間沈殿工程設備を連続運転した後、複合水酸化物を含むスラリーの採取を開始した。スラリーの採取は、ポンプ14を介して抜き出しを行った。 The pH of the reaction solution was controlled within the range of 11.0 or more and 11.5 to advance the complex hydroxide formation reaction. The mother liquor and the slurry were extracted until the solid concentration reached 200 g / L and further stabilized. After continuous operation of the precipitation process equipment for 72 hours from the start of supply of raw materials, collection of the slurry containing the composite hydroxide was started. The slurry was extracted through the pump 14.
得られた複合水酸化物スラリーを濾過、洗浄して、複合水酸化物を得た。これを大気中80℃で乾燥した。こうして前駆体としてニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物粉末が得られた。 The obtained composite hydroxide slurry was filtered and washed to obtain a composite hydroxide. This was dried at 80 ° C. in the atmosphere. Thus, a nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide powder was obtained as a precursor.
得られた前駆体132gと水酸化リチウム27.6gからなる混合物をせん断力をかけながら混合し、得られた粉体混合物の60gを取り焼成用アルミナボートに充填した。匣鉢に充填した混合物を酸素中、790℃で5時間保持した後、室温まで冷却し、更に770℃まで昇温し4時間保持して焼成した。焼成物を解砕、水洗した後、乾燥した。こうして組成Li1.02Ni0.82Co0.16Al0.02O2を有するリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物粉末を得た。 A mixture of 132 g of the obtained precursor and 27.6 g of lithium hydroxide was mixed while applying a shearing force, and 60 g of the obtained powder mixture was taken and filled in an alumina boat for firing. The mixture filled in the mortar was held in oxygen at 790 ° C. for 5 hours, then cooled to room temperature, further heated to 770 ° C. and held for 4 hours for firing. The fired product was crushed, washed with water, and dried. Thus, a lithium / nickel / cobalt / aluminum composite oxide powder having the composition Li 1.02 Ni 0.82 Co 0.16 Al 0.02 O 2 was obtained.
上記リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末を正極活物質として用いて、以下のように正極及びラミネート電池を製造し評価した。結果を表1に示す。 Using the lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder as a positive electrode active material, a positive electrode and a laminate battery were produced and evaluated as follows. The results are shown in Table 1.
(正極の製造) 得られた正極活物質100重量部、導電助剤としてのアセチレンブラック1重量部及びグラファイトカーボン5重量部、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン4重量部を、分散媒としてのN−メチルピロリドンと共に混合して正極合剤を得た。この正極合剤を集電体であるアルミニウム箔に50μm厚で塗布、乾燥して、正極を製造した。 (Production of Positive Electrode) 100 parts by weight of the obtained positive electrode active material, 1 part by weight of acetylene black as a conductive auxiliary agent and 5 parts by weight of graphite carbon, 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, N-methyl as a dispersion medium A positive electrode mixture was obtained by mixing with pyrrolidone. This positive electrode mixture was applied to an aluminum foil as a current collector in a thickness of 50 μm and dried to produce a positive electrode.
(ラミネート電池の製造)人造黒鉛(MAG−D)98重量部、バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース(CMC)1重量部、スチレンブタジエン共重合物(SBR)1重量部を、分散媒としての水と共に混合して負極合剤を得た。この負極合剤を集電体である銅箔に塗布、乾燥し負極を製造した。LiPF6を1モル/Lの濃度で溶解したエチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ビニルカーボネート(VC)を、重量比(EC:EMC:VC)が50:50:1となるように混合して電解液を製造した。上述の正極、負極、電解液を積層、封入してラミネート電池を製造した。 (Manufacture of laminate battery) 98 parts by weight of artificial graphite (MAG-D), 1 part by weight of carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder and 1 part by weight of styrene butadiene copolymer (SBR) were mixed together with water as a dispersion medium. Thus, a negative electrode mixture was obtained. This negative electrode mixture was applied to a copper foil as a current collector and dried to produce a negative electrode. Ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and vinyl carbonate (VC) in which LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1 mol / L, the weight ratio (EC: EMC: VC) is 50: 50: 1. To prepare an electrolytic solution. A laminate battery was manufactured by laminating and enclosing the above positive electrode, negative electrode, and electrolyte.
(初期放電容量及び初期充放電効率) 3.0から4.2Vの間で0.1Cレートでの充電を行った時の容量を初期充電容量とした。4.2Vから3.0の間での0.1C放電を行った際の容量を初期放電容量とした。初期充放電効率を以下の式で求めた。
初期充放電効率(%)=(初期放電容量÷初期充電容量)×100
(Initial Discharge Capacity and Initial Charge / Discharge Efficiency) The capacity when charging at a rate of 0.1 C between 3.0 and 4.2 V was defined as the initial charge capacity. The capacity when performing 0.1 C discharge between 4.2 V and 3.0 was defined as the initial discharge capacity. The initial charge / discharge efficiency was determined by the following formula.
Initial charge / discharge efficiency (%) = (initial discharge capacity / initial charge capacity) × 100
(レート維持率) 初期充放電容量を確認した後の電池を0.2Cレートで充電した後、0.2Cレートで放電を行った際の放電容量を0.2Cでの放電容量とした。その後更に、0.2Cレートで充電した後、2.0Cレートで放電を行った際の放電容量を2.0Cでの放電容量とした。レート維持率を以下の式で求めた。
レート維持率(%)=(2.0C放電容量÷0.2C放電容量)×100
(Rate maintenance rate) After charging the battery after confirming the initial charge / discharge capacity at the 0.2C rate, the discharge capacity when discharging at the 0.2C rate was defined as the discharge capacity at 0.2C. Thereafter, after charging at a 0.2 C rate, the discharge capacity when discharging at a 2.0 C rate was defined as a discharge capacity at 2.0 C. The rate maintenance rate was calculated by the following formula.
Rate maintenance rate (%) = (2.0 C discharge capacity ÷ 0.2 C discharge capacity) × 100
(ガス発生量) 0.1Cレートで4.2Vまで充電した後、体積をアルキメデス法(アルファミラージュ社製 MDS300型)にてラミネートセルの体積を測定する。そのラミネートセルを85℃で72時間、恒温槽で保存した後、再度体積をアルキメデス法にて測定し、ラミネートセル体積の増加度合いからガスの発生量を算出した。
ガス発生量(cc/g)=(保存後体積−保存前体積)÷正極活物質重量
(Gas generation amount) After charging to 4.2 V at a rate of 0.1 C, the volume of the laminate cell is measured by the Archimedes method (MDS300 type, manufactured by Alpha Mirage). The laminate cell was stored in a thermostatic bath at 85 ° C. for 72 hours, and then the volume was measured again by the Archimedes method, and the amount of gas generated was calculated from the degree of increase in the laminate cell volume.
Gas generation amount (cc / g) = (volume after storage−volume before storage) ÷ weight of positive electrode active material
[実施例2]ニッケル:コバルト:アルミニウムの原子比が80:15:5となるように原料を各々別々に供給して共沈反応を開始した点以外は実施例1と同様に複合水酸化物を製造した。実施例1と同様の焼成工程を経て、組成Li1.02Ni0.80Co0.15Al0.05O2を有するリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物粉末を得た。これを実施例1と同様に分析、評価した結果を表1に示す。 [Example 2] A composite hydroxide as in Example 1 except that the coprecipitation reaction was started by supplying the raw materials separately such that the atomic ratio of nickel: cobalt: aluminum was 80: 15: 5. Manufactured. Through the same firing step as in Example 1, a lithium / nickel / cobalt / aluminum composite oxide powder having the composition Li 1.02 Ni 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 was obtained. The results of analyzing and evaluating this in the same manner as in Example 1 are shown in Table 1.
[実施例3]実施例1と同じ条件で複合水酸化物を製造した。得られた複合水酸化物132gと水酸化リチウム28.5gからなる粉体混合物を用いた点以外は実施例1と同じ条件で焼成した。組成Li1.05Ni0.82Co0.16Al0.02O2を有するリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物粉末を得た。これを実施例1と同様に分析、評価した結果を表1に示す。 Example 3 A composite hydroxide was produced under the same conditions as in Example 1. Firing was performed under the same conditions as in Example 1 except that a powder mixture composed of 132 g of the obtained composite hydroxide and 28.5 g of lithium hydroxide was used. A lithium / nickel / cobalt / aluminum composite oxide powder having the composition Li 1.05 Ni 0.82 Co 0.16 Al 0.02 O 2 was obtained. The results of analyzing and evaluating this in the same manner as in Example 1 are shown in Table 1.
[比較例1]実施例1で使用したa液とb液に替えて、ニッケルとコバルトの混合水溶液を用いた。すなわち、ニッケル濃度8.2重量%の硫酸ニッケル水溶液と、コバルト濃度8.2重量%の硫酸コバルト水溶液を重量比84:16の割合で混合し、この混合水溶液を沈殿槽に供給した。その他の条件を実施例1と同じにして、ニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物粉末を得た。これを実施例1と同様に分析、評価した結果を表1に示す。 [Comparative Example 1] Instead of the liquid a and liquid b used in Example 1, a mixed aqueous solution of nickel and cobalt was used. That is, a nickel sulfate aqueous solution having a nickel concentration of 8.2% by weight and a cobalt sulfate aqueous solution having a cobalt concentration of 8.2% by weight were mixed at a weight ratio of 84:16, and this mixed aqueous solution was supplied to the precipitation tank. Other conditions were the same as in Example 1 to obtain a nickel / cobalt / aluminum composite hydroxide powder. The results of analyzing and evaluating this in the same manner as in Example 1 are shown in Table 1.
[比較例2]実施例のc液の供給を変更した。すなわち、c液と水酸化ナトリウム水溶液を予め混合し、この混合水溶液を沈殿槽に供給した。その他の条件を実施例1と同じにしてリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末を得た。これを実施例1と同様に分析、評価した結果を表1に示す。 [Comparative Example 2] The supply of the liquid c in the example was changed. That is, liquid c and sodium hydroxide aqueous solution were mixed in advance, and this mixed aqueous solution was supplied to the precipitation tank. Other conditions were the same as in Example 1 to obtain a lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder. The results of analyzing and evaluating this in the same manner as in Example 1 are shown in Table 1.
実施例と比較例の分析、評価結果が示すように、本発明の製造方法で得られたリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物粉末を用いて製造されたリチウムイオン電池は初期放電効率とレート維持率が高く、しかもガス発生が抑制されている。 As shown in the analysis and evaluation results of the examples and comparative examples, the lithium ion battery manufactured using the lithium / nickel / cobalt / aluminum composite oxide powder obtained by the manufacturing method of the present invention has an initial discharge efficiency and rate. The maintenance rate is high and gas generation is suppressed.
本発明のリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末の製造方法は、良好な初期放電効率、レート特性及びガス発生が抑制されたリチウムイオン電池を与えるNCA系正極活物質の製造方法として有用である。本発明によって良好な初期放電効率とレート特性を示し、さらにガス発生が抑制されたリチウムイオン電池を提供することができる。 The method for producing a lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder of the present invention is useful as a method for producing an NCA-based positive electrode active material that provides a lithium ion battery with good initial discharge efficiency, rate characteristics, and suppressed gas generation. . According to the present invention, it is possible to provide a lithium ion battery that exhibits good initial discharge efficiency and rate characteristics and further suppresses gas generation.
1 傾斜板沈降装置
2 ラメラ
3 溝
4 傾斜板沈降装置
5 ラメラ
6 レール系
7 固体粒子
8 ラメラ
9 直線
10 撹拌機
11 熱交換器
12 傾斜板沈降装置
13 反応器
14 ポンプ
15 スラリー流れ
16 循環ポンプ
17 ポンプ
18 循環容器
19 スラリー流れ
20 循環容器
21 ポンプ
22 ポンプ
23 硫酸ニッケル水溶液の供給ポンプ
24 硫酸コバルト水溶液の供給ポンプ
25 アルミン酸ナトリウム水溶液の供給ポンプ
26 水酸化ナトリウム水溶液の供給ポンプ
27 アンモニア水の供給ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
ニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物からなる前駆体とリチウム化合物との混合物を焼成する工程とを含み、
上記沈殿工程では、
ニッケル原料としての硫酸ニッケル水溶液と、コバルト原料としての硫酸コバルト水溶液を、独立した異なる流路で反応器に供給し、
アルミニウム原料としてのアルミン酸ナトリウム、水酸化ナトリウム水溶液、アンモニア水をそれぞれ独立した異なる流路で反応器に供給することを特徴とする、
組成LiaNibCocAldO2(ただしa=0.8〜1.2、b=0.7〜0.95、c=0.02〜0.2、d=0.005〜0.1であり、かつ、b+c+d=1である。)を有するリチウムイオン電池正極活物質用リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末の製造方法であって、
上記沈殿工程で用いる反応器が傾斜板沈降装置を有し、出発物質溶液を前記反応器の反応帯域内への導入時に均質混合するために適合されており、
前記傾斜板沈降装置が、前記反応帯域に直接接続されるように前記反応器と一体化され、 かつ少なくとも1つのポンプを介して少なくとも1つの循環容器に接続され、
前記反応器内の生成物懸濁液から前記少なくとも1つの循環容器まで濁った液体を吸引し、該濁った液体からフィルタエレメントを通して固体の微粒分級物を除去した後の液体を循環容器から取り出し、かつ反応器へ直接ポンプ返送することによって、前記反応器内の生成物懸濁液の粒度分布が、より高いD50値へ変位されることを特徴とする、
リチウムイオン電池正極活物質用リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物粉末の製造方法。 A precipitation step of producing a nickel / cobalt / aluminum coprecipitated hydroxide by sucking, separating and circulating the composite hydroxide slurry using a reactor equipped with a stirring means;
Firing a mixture of a precursor comprising a nickel-cobalt-aluminum composite hydroxide and a lithium compound,
In the above precipitation step,
Supply nickel sulfate aqueous solution as nickel raw material and cobalt sulfate aqueous solution as cobalt raw material to the reactor through independent different flow paths,
It is characterized by supplying sodium aluminate, sodium hydroxide aqueous solution, and ammonia water as an aluminum raw material to the reactor through independent and different flow paths,
Composition Li a Ni b Co c Al d O 2 (where a = 0.8 to 1.2, b = 0.7 to 0.95, c = 0.02 to 0.2, d = 0.005 to 0 1 and b + c + d = 1.) A method for producing a lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide powder for a positive electrode active material for a lithium ion battery ,
The reactor used in the precipitation step has a tilted plate settling device and is adapted to intimately mix the starting material solution upon introduction into the reaction zone of the reactor;
The inclined plate settling device is integrated with the reactor so as to be directly connected to the reaction zone, and connected to at least one circulation vessel via at least one pump;
Aspirating turbid liquid from the product suspension in the reactor to the at least one circulation vessel, removing the solid fines from the turbid liquid through a filter element, and removing the liquid from the circulation vessel; And by pumping directly back to the reactor, the particle size distribution of the product suspension in the reactor is shifted to a higher D50 value,
A method for producing lithium / nickel / cobalt / aluminum oxide powder for a lithium ion battery positive electrode active material.
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