(57)【要約】【課題】リチウムイオン二次電池の入力特性を改善することができる電極材料、その電極材料を含む電極及びその電極を有するリチウムイオン二次電池を提供する。【解決手段】本発明のリチウムイオン二次電池用電極材料は一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される中心粒子と、中心粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含み、ラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．１０以上１．５５以下であり、ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．３以下である。本発明のリチウムイオン二次電池用電極は本発明のリチウムイオン二次電池用電極材料を含む。本発明は正極、負極及び非水電解質を有するリチウムイオン二次電池であって、正極が本発明のリチウムイオン二次電池用電極を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される中心粒子と、
前記中心粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含み、
ラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．１０以上１．５５以下であり、
ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．３以下であるリチウムイオン二次電池用電極材料。
【請求項２】
ラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．２５以上１．４５以下である請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
【請求項３】
ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．２０以上１．２４以下である請求項１又は２に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料を含むリチウムイオン二次電池用電極。
【請求項５】
正極、負極及び非水電解質を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記正極が請求項４に記載のリチウムイオン二次電池用電極を有するリチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池用電極材料、リチウムイオン二次電池用電極及びリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンエネルギーの技術開発が急速に進む中、脱石油、ゼロエミッション、及び省電力製品の普及等、地球に優しい環境作りが必要となっている。とくに最近脚光を浴びているのが電気自動車に電気エネルギーを供給する大容量の蓄電池、有事の場合や災害が発生した場合に電気エネルギーを供給する大容量の蓄電池、携帯用情報機器や携帯用情報端末等に電気エネルギーを供給する二次電池である。二次電池としては、例えば、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池及びリチウムイオン電池等が知られている。とくに、リチウムイオン電池は、小型化、軽量化、及び高容量化が可能であり、しかも、高出力かつ高エネルギー密度であるという優れた特性を有している。このことから、電気自動車をはじめ、電動工具等の高出力電源としても商品化されており、次世代のリチウムイオン二次電池用材料の開発が世界中で活発化している。
【０００３】
また、最近では、電気エネルギーを供給する大容量の蓄電池と住宅とのコラボレーションとしてＨＥＭＳ（ホームエネルギー・マネッジメント・システム）が脚光を浴びている。ＨＥＭＳは、スマート家電や電気自動車あるいは太陽光発電等、家庭の電気に関わる情報と制御システムとを集約することで、自動制御、電力需給の最適化等を管理し、賢くエネルギーを消費するシステムである。
【０００４】
現在実用化されているリチウムイオン電池の正極に用いられる電極活物質としては、ＬｉＣｏＯ２及びＬｉＭｎＯ２が一般的である。しかしながら、Ｃｏは地球上に偏在し、かつ稀少な資源であることから、大量に使用した場合には、製品コストが高くなり、かつ安定供給が難しくなるという問題点がある。そこで、ＬｉＣｏＯ２に代わる正極活物質として、スピネル系のＬｉＭｎ２Ｏ４、三元系のＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２、鉄酸リチウム（ＬｉＦｅＯ２）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）等の正極活物質の研究開発が盛んに進められている。これら電極材料の中でも、オリビン構造を有するＬｉＦｅＰＯ４が、安全性はもちろんのこと、資源的及びコスト的にも問題がない電極材料として注目されている。このＬｉＦｅＰＯ４で代表されるオリビン系電極材料は、リンを構成元素に含みかつ酸素と強く共有結合している。したがって、オリビン系電極材料は、ＬｉＣｏＯ２等の電極材料と比較して高温時に酸素を放出するおそれがなく、電解液の酸化分解による発火の危険性も生じるおそれがなく、安全性に優れた材料である。
【０００５】
しかしながら、このような利点を有するＬｉＦｅＰＯ４においても、電子伝導性が低いという課題がある。この電子伝導性の低さは、構造に由来する活物質内部のリチウムイオンの拡散の遅さと電子導電性の低さにあると考えられている。そこで、電極活物質の電子伝導性を向上させる方法として、有機物を熱分解して得られた伝導性炭質材料を電極活物質の表面に均一に堆積させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、電極活物質の表面を被覆する炭素質被膜の黒鉛構造の発達の程度をラマンスペクトルのＧバンド及びＤバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）で評価できることが知られている（特許文献２参照）。そして、ＩＤ／ＩＧの値を０．９以下とすることにより、炭素質被膜の黒鉛構造を発達させることができ、これにより電極活物質の電子伝導性をさらに向上させることができ、正極の内部抵抗を小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−０１５１１１号公報
【特許文献２】国際公開２０１６／１７８２８０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、Ｄバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）の値を低くして、電極活物質の表面を被覆する炭素質被膜の黒鉛構造を発達させても、リチウムイオン二次電池の入力特性が良好にならず、逆に悪くなる場合があった。
そこで、本発明は、リチウムイオン二次電池の入力特性を改善することができる電極材料、その電極材料を含む電極及びその電極を有するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行なった。その結果、本発明者らは、電極活物質の表面を被覆する炭素質被膜の黒鉛構造を発達させると、電極活物質の電子伝導性は向上するものの電極活物質のイオン伝導性が低下することを見出した。そして、本発明者らは、Ｄバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が所定の範囲内であり、かつＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が所定値以下である電極材料を用いることにより、リチウムイオン二次電池の入力特性を改善できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下のとおりである。
【００１０】
［１］一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される中心粒子と、中心粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含み、ラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．１０以上１．５５以下であり、ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．３以下であるリチウムイオン二次電池用電極材料。
［２］ラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．２５以上１．４５以下である上記［１］に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
［３］ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．２０以上１．２４以下である上記［１］又は［２］に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
［４］上記［１］〜［３］のいずれか１つに記載のリチウムイオン二次電池用電極材料を含むリチウムイオン二次電池用電極。
［５］正極、負極及び非水電解質を有するリチウムイオン二次電池であって、正極が上記［４］に記載のリチウムイオン二次電池用電極を有するリチウムイオン二次電池。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、リチウムイオン二次電池の入力特性を改善することができる電極材料、その電極材料を含む電極及びその電極を有するリチウムイオン二次電池を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
［リチウムイオン二次電池用電極材料］
本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極材料（以下、単に電極材料という）は、一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される中心粒子と、中心粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含み、ラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．１０以上１．５５以下であり、ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．３以下である。これにより、リチウムイオン二次電池の入力特性を改善することができる。
【００１４】
（中心粒子）
本実施形態の電極材料に使用される中心粒子は、一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される中心粒子である。なお、希土類元素とは、ランタン系列であるＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕの１５元素のことである。また、本実施形態の電極材料に使用される中心粒子は、一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４で表される１種の中心粒子であってもよいし、２種以上組み合わせた中心粒子であってもよい。
【００１５】
本実施形態の電極材料に使用される中心粒子の比表面積は、好ましくは５ｍ２／ｇ以上３０ｍ２／ｇ以下であり、より好ましくは９ｍ２／ｇ以上２５ｍ２／ｇ以下である。
中心粒子の比表面積が５ｍ２／ｇ以上であると、中心粒子におけるリチウムイオン及び電子の移動にかかる時間を短くしてリチウムイオン二次電池の出力特性を良好にできる。中心粒子の比表面積が３０ｍ２／ｇ以下であると、中心粒子の比表面積が増加することに伴う炭素質被膜の重量の増加を抑制し、充放電容量を増加させることができる。なお、中心粒子の比表面積はＢＥＴ法により測定された比表面積である。
【００１６】
（炭素質被膜）
本実施形態の電極材料に使用される炭素質被膜は、中心粒子の表面を被覆し、電極材料の電子伝導性を向上させる。炭素質被膜の被覆率は６０％以上であることが好ましく、８０％以上９５％以下であることがより好ましい。
炭素質被膜の被覆率が６０％以上であると、炭素質被膜の被覆効果を充分に得ることができる。
炭素質被膜の被覆率は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）及びエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）等を用いて測定することができる。
【００１７】
炭素質被膜の膜厚は１．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下であることが好ましく、炭素質被膜の平均膜厚は２．０ｎｍ以上７．０ｎｍ以下であることが好ましい。
炭素質被膜の平均膜厚が２．０ｎｍ以上であると、炭素質被膜中の電子の移動抵抗の総和が高くなることを抑制できる。これによりリチウムイオン二次電池の内部抵抗の上昇を抑制でき、高速充放電レートにおける電圧低下を防止することができる。また、炭素質被膜の平均膜厚が７．０ｎｍ以下であると、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散することを妨害する立体障害の形成を抑制することができ、これによりリチウムイオンの移動抵抗が低くなる。その結果、電池の内部抵抗の上昇が抑えられ、高速充放電レートにおける電圧低下を防止することができる。
また、炭素質被膜の膜厚が１．０ｎｍ以上であると、炭素質被膜の平均膜厚を２．０ｎｍ以上とすることが容易になり、膜厚が１０．０ｎｍ以下であると、平均膜厚を７．０ｎｍ以下とすることが容易になる。
なお、炭素質被膜の膜厚は、透過型電子顕微鏡を用いて、測定することができる。
【００１８】
なお、ここでいう「内部抵抗」とは、主として電荷移動抵抗とリチウムイオン移動抵抗とを合算したものであり、電荷移動抵抗は炭素質被膜の膜厚、炭素質被膜の密度及び結晶性に比例し、リチウムイオン移動抵抗は炭素質被膜の膜厚、炭素質被膜の密度及び結晶性に反比例する。
この内部抵抗の評価方法としては、例えば、電流休止法等が用いられる。この電流休止法では、内部抵抗は、配線抵抗、接触抵抗、電荷移動抵抗、リチウムイオン移動抵抗、正負電極におけるリチウム反応抵抗、正負極間距離によって定まる極間抵抗、リチウムイオンの溶媒和、脱溶媒和に関わる抵抗及びリチウムイオンのＳＥＩ（Solid Electrolyte Interface）移動抵抗の総和として測定される。
【００１９】
炭素質被膜の炭素量、炭素質被膜の平均膜厚、炭素質被膜の被覆率及び電極材料の比表面積によって計算される、炭素質被膜の密度は０．３ｇ／ｃｍ３以上１．５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましく、０．４ｇ／ｃｍ３以上１．０ｇ／ｃｍ３以下であることがより好ましい。
ここで、炭素質被膜の密度を上記の範囲に限定した理由は、炭素質被膜の炭素分によって計算される、炭素質被膜の密度が０．３ｇ／ｃｍ３以上であれば、炭素質被膜が十分な電子伝導性を示すからである。一方、炭素質被膜の密度が１．５ｇ／ｃｍ３以下であれば、炭素質被膜中に層状構造からなる黒鉛の微結晶が少量であるため、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散する際に黒鉛の微結晶による立体障害が生じない。これにより、リチウムイオン移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。
【００２０】
（ＩＤ／ＩＧ）
本実施形態の電極材料のラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）は、１．１０以上１．５５以下であり、好ましくは１．２５以上１．４５以下である。
Ｄバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．１０未満であると、電極材料のイオン伝導性が悪くなり、リチウムイオン二次電池の入力特性が悪くなる場合がある。また、Ｄバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．５５よりも大きくなると、電極材料の電子伝導性が悪くなり、リチウムイオン二次電池の入力特性が悪くなる場合がある。
なお、Ｇバンドは、ラマンスペクトルの１５９０ｃｍ−１付近に現れるピークであり、炭素質被膜の黒鉛構造に帰属されるピークである。一方、Ｄバンドは、ラマンスペクトルの１３５０ｃｍ−１付近に現れるピークであり、炭素質被膜の欠陥に起因するピークである。
【００２１】
（ＤＢＰ／ＮＭＰ）
ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）は、１．３以下であり、好ましくは１．２０以上１．２４以下である。
ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．３よりも大きいと、電極材料のイオン伝導性が悪くなり、リチウムイオン二次電池の入力特性が悪くなる場合がある。
なお、ＮＭＰ吸油量は、あまに油の代わりにＮ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）を用いた点を除いて、ＪＩＳ  Ｋ  ５１０１−１３−１「精製あまに油法」に準拠して電極材料を測定した値である。また、ＤＢＰ吸油量は、あまに油の代わりにフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）を用いた点を除いて、ＪＩＳ  Ｋ  ５１０１−１３−１「精製あまに油法」に準拠して電極材料を測定した値である。
【００２２】
電極材料のラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）の値は炭素質被膜の結晶の状態に主に起因する。一方、ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）は炭素質被膜の形状に主に起因する。そして、リチウムイオン二次電池の入力特性の改善に好適な炭素質被膜の結晶の状態と、リチウムイオン二次電池の入力特性の改善に好適な炭素質被膜の形状との組み合わせにより、すなわち、電極材料のラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）を、１．１０以上１．５５以下とし、かつ、ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）を１．３以下とすることにより、リチウムイオン二次電池の入力特性をさらに改善することができる。
【００２３】
（炭素量）
本実施形態の電極材料の炭素量、すなわち、炭素質被膜を形成する炭素の炭素量は、中心粒子１００質量部に対して０．３質量部以上１０質量部以下であることが好ましく、０．６質量部以上３質量部以下であることがより好ましい。
電極材料の炭素量が０．３質量部以上であると、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける放電容量が高くなり、充分な充放電レート性能を実現することができる。一方、炭素量が１０質量部以下であると、電極材料の単位質量当たりのリチウムイオン二次電池の電池容量を高くすることができる。
【００２４】
（比表面積）
本実施形態の電極材料の比表面積は、好ましくは５ｍ２／ｇ以上３０ｍ２／ｇ以下であり、より好ましくは９ｍ２／ｇ以上２５ｍ２／ｇ以下である。
電極材料の比表面積が５ｍ２／ｇ以上であると、電極材料の粗大化を抑制して、リチウムイオンの拡散速度を高くすることができる。これにより、リチウムイオン二次電池の電池特性を改善することができる。一方、電極材料の比表面積が３０ｍ２／ｇ以下であると、電極密度を高くすることができるため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を高くすることができる。なお、電極材料の比表面積はＢＥＴ法により測定された比表面積である。
【００２５】
（一次粒子の平均粒子径）
本実施形態の電極材料の一次粒子の平均粒子径は好ましくは０．０１μｍ以上５μｍ以下であり、より好ましくは０．０２μｍ以上２μｍ以下である。
電極材料の平均一次粒子径が０．０１μｍ以上であると、電極材料の比表面積の増加に起因する炭素質量の増加を抑制でき、これによりリチウムイオン二次電池の充放電容量が低減することを抑制できる。一方、電極材料の平均一次粒子径が５μｍ以下であると、電極材料内を移動するリチウムイオンの移動時間または電子の移動時間を短くすることができる。これにより、リチウムイオン二次電池の内部抵抗の増加に起因する出力特性の悪化を抑制できる。
【００２６】
ここで、平均粒子径とは、体積平均粒子径のことである。上記一次粒子の平均粒子径は、無作為に１００個の一次粒子を選び出して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）にて個々の一次粒子の粒子径（長径）を測定し、その平均値として求めることができる。
【００２７】
（二次粒子の平均粒子径）
本実施形態の電極材料の複数個の一次粒子が凝集して形成した二次粒子の平均粒子径は、好ましくは０．５μｍ以上２０μｍ以下であり、より好ましくは０．７μｍ以上１０μｍ以下である。
電極材料の二次粒子の平均粒子径が０．５μｍ以上であると、電極材料と導電助剤とバインダー樹脂（結着剤）と溶剤とを混合してリチウムイオン二次電池用電極材料ペーストを調製する際、導電助剤及び結着剤が多量に必要となることを抑制できる。これによりリチウムイオン二次電池の正極の電極材料層における単位質量あたりのリチウムイオン二次電池の電池容量を高くすることができる。一方、電極材料の二次粒子の平均粒子径が２０μｍ以下であると、リチウムイオン二次電池の正極の電極材料層中の導電助剤や結着剤の分散性及び均一性を高くすることができる。その結果、リチウムイオン二次電池の高速充放電における放電容量が高くなる。
【００２８】
ここで、平均粒子径とは、体積平均粒子径のことである。電極材料の二次粒子の平均粒子径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置等を用いて測定することができる。また、無作為に１００個の二次粒子を選び出して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）にて個々の二次粒子の長径及び短径を測定し、その平均値として求めてもよい。
【００２９】
［電極材料の製造方法］
本実施形態の電極材料は、例えば、以下の電極材料の製造方法で製造することができる。本実施形態の電極材料の製造方法は、一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される中心粒子と、炭素被膜前駆体と、水とを含むスラリーを作製する工程（Ａ）、スラリーを乾燥してスラリーの乾燥物を作製する工程（Ｂ）、及び乾燥物を５００℃以上１０００℃以下の非酸化性雰囲気下にて焼成する工程（Ｃ）を含む。
【００３０】
（工程（Ａ））
工程（Ａ）では、一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される中心粒子と、炭素被膜前駆体と、水とを含むスラリーを作製する。
【００３１】
電極材料の製造方法に使用する中心粒子は、一般式ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４（０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１４、ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ及び希土類元素から選択される少なくとも１種）で表される。
例えば、ＬｉＦｅｘＭｎ１−ｘ−ｙＭｙＰＯ４は、Ｌｉ源と２価の鉄塩とリン酸化合物と水とを混合して得られるスラリー状の混合物を、耐圧密閉容器を用いて水熱合成して得られる。Ｌｉ源は、例えば酢酸リチウム（ＬｉＣＨ３ＣＯＯ）及び塩化リチウム（ＬｉＣｌ）等のリチウム塩並びに水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）からなる群から選択されるものである。２価の鉄塩には、例えば塩化鉄（ＩＩ）（ＦｅＣｌ２）、酢酸鉄（ＩＩ）（Ｆｅ（ＣＨ３ＣＯＯ）２）及び硫酸鉄（ＩＩ）（ＦｅＳＯ４）等が挙げられる。リン酸化合物には、例えばリン酸（Ｈ３ＰＯ４）、リン酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）及びリン酸水素二アンモニウム（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４）等が挙げられる。
【００３２】
中心粒子１００質量部に対する、炭素元素に換算したときの炭素被膜前駆体の配合量は、１．０質量部以上５．０質量部以下であり、好ましくは２．５質量部以上１０質量部以下である。中心粒子１００質量部に対する、炭素元素に換算したときの炭素被膜前駆体の配合量が１．０質量部以上５．０質量部以下であると、電極材料の炭素量を、およそ、０．８質量％以上２．５質量％以下にすることができる。
【００３３】
炭素質被膜前駆体として用いる有機化合物としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン、セルロース、デンプン、ゼラチン、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリルアミド、ポリ酢酸ビニル、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース、マルトース、スクロース、ラクトース、グリコーゲン、ペクチン、アルギン酸、グルコマンナン、キチン、ヒアルロン酸、コンドロイチン、アガロース、ポリエーテル、２価アルコール、３価アルコール、フェノール樹脂等が挙げられる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。これらの炭素質被膜前駆体の中で特に好ましい炭素質被膜前駆体は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、スクロース及びフェノール樹脂を混合したものである。
【００３４】
中心粒子に対する有機化合物の配合比は、有機化合物の全量を炭素量に換算したとき、中心粒子１００質量部に対して０．８質量部以上２．５質量部以下であることが好ましい。
ここで、有機化合物の炭素量換算の配合比が０．８質量部以上であると、二次電池を形成した場合に高速充放電レートにおける放電容量が高くなり、充分な充放電レート性能を実現することが可能になる。有機化合物の炭素量換算の配合比が２．５質量部以下であると、炭素質被膜の平均膜厚を３．０ｎｍ以下にすることができる。
【００３５】
これら中心粒子と有機化合物とを、水に溶解あるいは分散させて、均一なスラリーを調製する。この溶解あるいは分散の際には、分散剤を加えてもよい。
中心粒子と有機化合物とを水に溶解あるいは分散させる方法としては、中心粒子が分散し、有機化合物が溶解または分散する方法であれば、とくに限定されない。有機化合物を溶解または分散させる装置には、例えば、遊星ボールミル、振動ボールミル、ビーズミル、ペイントシェーカー及びアトライタ等の媒体粒子を高速で攪拌する媒体攪拌型分散装置が挙げられる。また、有機化合物は構造中に酸素が多量に含まれる糖類が好まれる。単糖、二糖類がより好ましい。酸素が多いと焼成中に開裂する箇所が多くなり、カーボン層中の細孔を形成しやすい。
【００３６】
この溶解あるいは分散の際には、中心粒子を一次粒子として分散し、その後、有機化合物を添加して溶解するように攪拌することが好ましい。このようにすれば、中心粒子の一次粒子の表面が有機化合物で被覆され、その結果として、中心粒子の一次粒子の間に有機化合物由来の炭素が均一に介在するようになる。
【００３７】
（工程（Ｂ））
工程（Ｂ）では、スラリーを乾燥してスラリーの乾燥物を作製する。例えば、このスラリーを高温雰囲気中、例えば７０℃以上２５０℃以下の大気中に噴霧し、乾燥させる。
【００３８】
（工程（Ｃ））
工程（Ｃ）では、５００℃以上１０００℃以下、好ましくは６００℃以上９００℃以下の範囲内の焼成温度で乾燥物を焼成する。焼成時間は、例えば０．１時間以上４０時間以下である。
焼成温度が５００℃未満であると、スラリーを乾燥させた乾燥物に含まれる有機化合物の分解及び反応を充分に進行せず、有機化合物を充分に炭化させることができない場合がある。その結果、得られた電極材料中に高抵抗の有機化合物の分解物が生成する場合がある。焼成温度が１０００℃よりも大きいと、中心粒子中のＬｉが蒸発して中心粒子に組成のズレが生じる場合がある。組成のズレが生じると、中心粒子の粒成長が促進され、その結果、高速充放電レートにおける放電容量が低減し、充分な充放電レート性能を実現することが難しい場合がある。
【００３９】
この非酸化性雰囲気としては、窒素（Ｎ２）及びアルゴン（Ａｒ）等の不活性雰囲気が好ましく、より酸化を抑えたい場合には水素（Ｈ２）等の還元性ガスを数体積％程度含む還元性雰囲気が好ましい。
【００４０】
この焼成過程では、スラリーの乾燥物を焼成する際の条件、例えば、昇温速度、最高保持温度、保持時間等を適宜調整することにより、得られる電極材料の細孔径分布を制御することが可能である。
以上により、乾燥物中の有機化合物が熱分解して生成した炭素により中心粒子の一次粒子の表面が被覆され、よって、この中心粒子の一次粒子の間に炭素が介在した二次粒子からなる電極材料が得られる。
【００４１】
［リチウムイオン二次電池用電極］
本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極（以下、単に電極という）は、本実施形態の電極材料を含む。
本実施形態の電極を作製するには、例えば、本実施形態の電極材料と、バインダー樹脂からなる結着剤と、溶媒とを混合して、電極形成用塗料または電極形成用ペーストを調製する。この際、必要に応じてカーボンブラック等の導電助剤をさらに添加してもよい。
上記の結着剤、すなわちバインダー樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）樹脂及びフッ素ゴム等が好適に用いられる。
上記の電極材料に対するバインダー樹脂の配合量は、とくに限定されないが、例えば、電極材料１００質量部に対してバインダー樹脂を１質量部以上３０質量部以下、好ましくは３質量部以上２０質量部以下とする。
【００４２】
この電極形成用塗料または電極形成用ペーストに用いる溶媒としては、水；メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール（イソプロピルアルコール：ＩＰＡ）、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール及びジアセトンアルコール等のアルコール類；酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン等のエステル類；ジエチルエーテル、エチレングルコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）、エチレングルコールモノエチルエーテル（エチルセロソルブ）、エチレングルコールモノブチルエーテル（ブチルセロソルブ）、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類；アセトン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、アセチルアセトン、シクロヘキサノン等のケトン類；ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド類；エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類等を挙げることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００４３】
次いで、この電極形成用塗料または電極形成用ペーストを、金属箔の一方の面に塗布し、その後、乾燥し、上記の電極材料及び結着剤を含む塗膜が一方の面に形成された金属箔を得る。
次いで、この塗膜を加圧圧着し、乾燥して、金属箔の一方の面に電極材料層を有する集電体（電極）を作製する。
このようにして、本実施形態のリチウムイオン伝導性を損なうことなく、電子伝導性を向上させることができる電極を作製することができる。
【００４４】
［リチウムイオン二次電池］
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、本実施形態の電極を正極として有する。
このリチウムイオン二次電池は、本実施形態の電極を正極として用いることにより、正極の電子伝導性及びイオン伝導性の両方を高くすることができる。その結果、入力特性が改善したリチウムイオン二次電池を提供することができる。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されない。
【００４６】
実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料を以下のようにして作製した。
「実施例１」
Ｌｉ源、Ｐ源としてＬｉ３ＰＯ４、Ｆｅ源としてＦｅＳＯ４水溶液をモル比でＬｉ：Ｆｅ：Ｐ＝３：１：１となるように混合して１０００Ｌの原料スラリーを作製し、耐圧容器に入れた。その後、１９５℃で２．５時間加熱反応を行った。この反応後に室温になるまで冷却して、沈殿しているケーキ状態の反応生成物を得た。そして、この沈殿物を蒸留水で複数回十分に水洗し、ケーキ状の活物質を得た。
【００４７】
次いで、この活物質５ｋｇ（固形分換算）に、炭素質被膜の原料となる有機化合物として、予め固形分２０％に調整したポリビニルアルコール水溶液１２３．９ｇ、スクロース粉末１９．８ｇ、フェノール樹脂溶液４５．２ｇと、媒体粒子としての直径１ｍｍのジルコニアボールとを用いて、ビーズミルにて２時間、分散処理を行い、均一なスラリーを調製した。
【００４８】
次いで、このスラリーを１６０℃の大気雰囲気中に噴霧し、乾燥して、平均粒子径が７μｍの有機物で被覆された、活物質の造粒体を得た。
【００４９】
得られた造粒体１００体積％に対して５体積％となるように、長手方向の長さの平均が１０ｍｍである黒鉛焼結体を熱伝導補助物質として造粒体に添加し混合して焼成用原料を得た。この焼成用原料２．５ｋｇを容積が１０Ｌの黒鉛鞘に敷き詰め、７２０℃の非酸化性ガス雰囲気下にて１．５時間焼成した後、４０℃にて３０分間保持し、焼成物を得た。この焼成物をφ７５μｍの篩に通し、黒鉛焼結体を取り除いて、実施例１の電極材料を得た。
【００５０】
「実施例２」
スクロース粉末の添加量を３９．７ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を３０．１ｇとした以外は、実施例１と同様にして、実施例２の電極材料を得た。
【００５１】
「実施例３」
スクロース粉末の添加量を５９．７ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を１５．０ｇとした以外は、実施例１と同様にして、実施例３の電極材料を得た。
【００５２】
「比較例１」
スクロース粉末を添加せず、フェノール樹脂溶液の添加量を６０．４ｇとした以外は、実施例１と同様にして、比較例１の電極材料を得た。
【００５３】
「比較例２」
スクロース粉末の添加量を７９．７ｇとし、フェノール樹脂溶液を添加しない以外は、実施例１と同様にして、比較例２の電極材料を得た。
【００５４】
「比較例３」
予め固形分２０％に調整したポリビニルアルコール水溶液の添加量を４０．９ｇとし、スクロース粉末の添加量を９９．８ｇとした以外は、実施例１と同様にして、比較例３の電極材料を得た。
【００５５】
「比較例４」
スクロース粉末の添加量を３９．７ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を３０．１ｇとした以外は、実施例１と同様にして、比較例４の電極材料を得た。
【００５６】
「比較例５」
スクロース粉末の添加量を５９．７ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を１５．０ｇとした以外は、実施例１と同様にして、比較例５の電極材料を得た。
【００５７】
「実施例４」
Ｌｉ源、Ｐ源としてＬｉ３ＰＯ４、Ｆｅ源としてＦｅＳＯ４水溶液、Ｍｎ源としてＭｎＳＯ４水溶液、Ｍｇ源としてＭｇＳＯ４水溶液、Ｃｏ源としてＣｏＳＯ４水溶液、Ｃａ源としてＣａ（ＯＨ）２水溶液を用い、これらをモル比でＬｉ：Ｆｅ：Ｍｎ：Ｍｇ：Ｃｏ：Ｃａ：Ｐ＝３：０．２４４８：０．７０：０．０５：０．０００２：０．００５：１となるように混合して１０００Ｌの原料スラリーを作製し、耐圧容器に入れた。その後、１４５℃で２．５時間加熱反応を行った。この反応後に室温になるまで冷却して、沈殿しているケーキ状態の反応生成物を得た。そして、この沈殿物を蒸留水で複数回十分に水洗し、ケーキ状の活物質を得た。
【００５８】
次いで、この活物質５ｋｇ（固形分換算）に、炭素質被膜の原料となる有機化合物として、予め固形分２０％に調整したポリビニルアルコール水溶液１８５．９ｇ、スクロース粉末２９．７ｇ、フェノール樹脂溶液６７．８ｇと、媒体粒子としての直径１ｍｍのジルコニアボールとを用いて、ビーズミルにて２時間、分散処理を行い、均一なスラリーを調製した。
【００５９】
次いで、このスラリーを１５０℃の大気雰囲気中に噴霧し、乾燥して、平均粒子径が９μｍの有機物で被覆された、活物質の造粒体を得た。
【００６０】
得られた造粒体１００体積％に対して５体積％となるように、長手方向の長さの平均が１０ｍｍである黒鉛焼結体を熱伝導補助物質として造粒体に添加し混合して焼成用原料を得た。この焼成用原料２．５ｋｇを容積が１０Ｌの黒鉛鞘に敷き詰め、７２０℃の非酸化性ガス雰囲気下にて２．５時間焼成した後、４０℃にて３０分間保持し、焼成物を得た。この焼成物をφ７５μｍの篩に通し、黒鉛焼結体を取り除いて、実施例４の電極材料を得た。
【００６１】
「実施例５」
スクロース粉末の添加量を５９．５８ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を４５．１１ｇとした以外は、実施例４と同様にして、実施例５の電極材料を得た。
【００６２】
「実施例６」
スクロース粉末の添加量を８９．５１ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を２２．５１ｇとした以外は、実施例４と同様にして、実施例６の電極材料を得た。
【００６３】
「比較例６」
スクロース粉末を添加せず、フェノール樹脂溶液の添加量を９０．５４ｇとした以外は、実施例４と同様にして、比較例６の電極材料を得た。
【００６４】
「比較例７」
スクロース粉末の添加量を１１９．５５ｇとし、フェノール樹脂溶液を添加しない以外は、実施例４と同様にして、比較例７の電極材料を得た。
【００６５】
「比較例８」
予め固形分２０％に調整したポリビニルアルコール水溶液の添加量を６１．４ｇとし、スクロース粉末の添加量を１４９．６９ｇとした以外は、実施例４と同様にして、比較例８の電極材料を得た。
【００６６】
「比較例９」
スクロース粉末の添加量を５９．５８ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を４５．１１ｇとした以外は、実施例４と同様にして、比較例４の電極材料を得た。
【００６７】
「比較例１０」
スクロース粉末の添加量を８９．５１ｇとし、フェノール樹脂溶液の添加量を２２．５１ｇとした以外は、実施例４と同様にして、比較例１０の電極材料を得た。
【００６８】
実施例１〜３及び比較例１〜５の電極材料の作製に使用したポリビニルアルコール水溶液、スクロース粉末及びフェノール樹脂溶液のそれぞれの添加量、並びに実施例１〜３及び比較例１〜５の電極材料の作製したときのそれぞれの焼成温度を表１に示す。
【００６９】
【表１】
2018163764.tif 000002
【００７０】
実施例４〜６及び比較例６〜１０の電極材料の作製に使用したポリビニルアルコール水溶液、スクロース粉末及びフェノール樹脂溶液のそれぞれの添加量、並びに実施例４〜６及び比較例６〜１０の電極材料の作製したときのそれぞれの焼成温度を表２に示す。
【００７１】
【表２】
2018163764.tif 000003
【００７２】
（電極材料の評価）
実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料について、以下の評価を行った。
【００７３】
（１）炭素量
炭素分析計（（株）堀場製作所製、型番：EMIA-220V）を用いて実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料の炭素量を測定した。
【００７４】
（２）比表面積
比表面積計（日本ベル（株）製、BELSORP-mini）を用いて、窒素（Ｎ２）吸着によるＢＥＴ法により、実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料の比表面積を測定した。
【００７５】
（３）かさ密度
ＪＩＳ  Ｒ  １６２８：１９９７「ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法」に準拠して、実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料のかさ密度を測定した。
【００７６】
（４）ラマン分光測定
ラマン分光装置（（株）堀場製作所製、LabRab HR evolution UV-VIS-NIR）を用いて、実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料のラマンスペクトルを測定した。
この測定により得られたラマンスペクトルについてガウス関数とローレンツ関数の畳込みでフィッティング処理を行い（解析ソフト：LabSpec6、関数名：GaussLor（）（（株）堀場製作所製））、得られたＤバンドのピーク強度（ＩＤ）及びＧバンドのピーク強度（ＩＧ）からＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）を算出した。
【００７７】
（５）ＮＭＰ吸油量
あまに油の代わりにＮ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）を用いた点を除いて、ＪＩＳ  Ｋ  ５１０１−１３−１「精製あまに油法」に準拠して、実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料のＮＭＰ吸油量を測定した。
【００７８】
（６）ＤＢＰ吸油量
あまに油の代わりにフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）を用いた点を除いて、ＪＩＳ  Ｋ  ５１０１−１３−１「精製あまに油法」に準拠して、実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料のＤＢＰ吸油量を測定した。
【００７９】
（７）５Ｃ定電流充電容量
５Ｃ定電流充電容量については、実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料を使用して作製したリチウムイオン二次電池を用いて評価した。
【００８０】
（リチウムイオン電池の作製）
実施例１〜６及び比較例１〜１０の電極材料と、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）と、導電助剤としてのアセチレンブラック（ＡＢ）とを、質量比が９０：５：５となるように混合し、さらに溶媒としてのＮ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）を加えて流動性を付与し、スラリーを作製した。
次いで、このスラリーを厚み１５μｍのアルミニウム（Ａｌ）箔上に塗布し、乾燥した。その後、６００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力にて加圧し、２平方センチメートルの電極面積と１.６ｇ／ｃｃの電極密度とを有する、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。
【００８１】
上記正極と、負極としてのリチウム金属とを配置し、正極と負極の間に２５μｍの厚さを有する多孔質ポリプロピレンからなるセパレーターを配置し、電池用部材とした。この電池用部材を、直径２ｃｍ、厚み３．２ｍｍのコインセル容器内に配置した。
一方、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとを１：１（質量比）にて混合し、さらに１ＭのＬｉＰＦ６溶液を加えて、リチウムイオン伝導性を有する電解質溶液を作製した。
次いで、上記のコインセル容器内に上記の電解質溶液を０．４ｍｌ注入することで、上記の電池用部材を上記の電解質溶液に浸漬し、リチウムイオン二次電池を作製した。
【００８２】
（充電容量）
電池充放電装置（北斗電工（株）製、型番：ＳＭ８）を使用して、実施例１〜３及び比較例１〜５の電極材料を用いて作製したリチウムイオン二次電池については正極の電圧がＬｉの平衡電圧に対して４．２Ｖになるまで、実施例４〜６及び比較例６〜１０の電極材料を用いて作製したリチウムイオン二次電池については正極の電圧がＬｉの平衡電圧に対して４．３Ｖになるまで定電流充電を行い、そのときの容量を評価した。
【００８３】
実施例１〜３及び比較例１〜５の電極材料の評価結果を表３に示し、実施例４〜６及び比較例６〜１０の電極材料の評価結果を表４に示す。
【００８４】
【表３】
2018163764.tif 000004
【００８５】
【表４】
2018163764.tif 000005
【００８６】
実施例１〜６と比較例１〜１０とを比較することにより、ラマン分光測定により得られたラマンスペクトルのＤバンド及びＧバンドのピーク強度比（ＩＤ／ＩＧ）が１．１０以上１．５５以下であり、ＤＢＰ吸油量及びＮＭＰ吸油量の比（ＤＢＰ／ＮＭＰ）が１．３以下である電極材料を用いると、リチウムイオン二次電池の入力特性が改善することがわかった。