(57)【要約】本発明は、化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、好ましくは第一遷移金属系列から選択される少なくとも１種の二価金属）のリチウム金属リン酸塩を製造する方法に関する。本発明は、リン酸リチウムを、金属塩および酸性リン酸塩源と極性溶媒中で反応させて、Ｍを含有する対応するリン酸塩に変換するステップと、塩基性リチウム源を加えて、所望のリチウム金属リン酸塩の前駆体混合物を得るステップと、このようにして得られた混合物を、所望の最終生成物が得られるように、好ましくは水熱条件において変換および分離することによって、リチウムを含んでいる濾液を得るステップと、から成る。塩基性リチウム源を加えることにより、リチウムイオンがリン酸リチウムの形で沈殿する。このようにして得られるリン酸リチウムは、原材料の形で再利用することができ、このサイクルでは、リチウムの高い再利用性を達成することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは少なくとも１種の二価金属）のリチウム金属リン酸塩を製造する方法であって、
（ａ）リン酸リチウムと、少なくとも１種の金属塩ＭＸｎと、酸性リン酸源とを、極性溶媒中で反応させて、前記溶媒中に、少なくとも１種のＭを含有するリン酸塩の懸濁液を生成するステップであって、Ｘは、前記溶媒に可溶な塩を、前記金属Ｍとともに形成する陰イオンであり、ｎは、前記金属Ｍの価数を前記陰イオンＸの価数で割った値である、前記ステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）において得られた、前記溶媒中の、Ｍを含有するリン酸塩の前記懸濁液に、塩基性リチウム源を加えて、沈殿生成物を生成するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）において得られた前記沈殿生成物を、リチウム金属リン酸塩（化学式ＬｉＭＰＯ４）に変換し、リチウムイオンを含む残留溶液を生成するステップと、
（ｄ）前記残留溶液に塩基性リン酸源を加えることにより、リン酸リチウムを前記残留溶液から沈殿させるステップと、
（ｅ）前記懸濁液から前記リン酸リチウムを分離するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
ステップ（ｅ）において得られる前記リン酸リチウムをステップ（ａ）に再循環させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ｍが、好ましくはＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から選択される少なくとも１種の遷移金属であり、特に、Ｆｅである、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記リン酸リチウムがオルトリン酸リチウムである、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
Ｘが、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオンから成る群から選択され、特に、硫酸イオンである、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ａ）において、前記溶液のｐＨを、２未満の値から、２〜６の範囲内の値に上昇させ、ステップ（ｂ）において、６〜８の範囲内の値に上昇させる、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ステップ（ａ）もしくはステップ（ｂ）、またはその両ステップにおいて、還元剤を添加する、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記極性溶媒が水である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）において使用する前記酸性リン酸源が、リン酸化合物、特に、オルトリン酸である、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ｂ）において使用する前記塩基性リチウム源が、水酸化リチウムもしくは酸化リチウム、またはその両方である、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ｄ）において使用する前記塩基性リン酸源が、アルカリ金属リン酸塩、特に、リン酸ナトリウムである、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）における前記反応を、５℃〜８０℃の温度、好ましくは１５℃〜５０℃の温度、特に好ましくは室温において行う、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のうちの少なくとも１つのステップにおいて、前記懸濁液中に存在する粒子のＤ９０が５０μｍ未満となるまで、前記懸濁液の分散処理またはミリング処理を行う、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記懸濁液中に存在する前記粒子のＤ９０が、２５μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、特に好ましくは１５μｍ未満である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記分散処理またはミリング処理を、ステップ（ａ）もしくは（ｂ）、またはその両ステップにおいて行う、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ステップ（ａ）における前記分散処理またはミリング処理を、前記金属塩ＭＸｎを添加する前に開始し、リン酸リチウム化合物への変換が完了するまで続行するか、もしくは、
ステップ（ｂ）における前記分散処理またはミリング処理を、前記水酸化リチウムを加える前に開始し、Ｍを含有するリン酸塩への変換が完了するまで続行するか、またはその両方である、請求項１３〜請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のうちの少なくとも１つのステップにおいて、炭素含有物質、導電性物質、導電性物質の前駆体化合物、のうちの少なくとも１つを加える、請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記導電性物質が、カーボン、特に導電性カーボン、および炭素繊維、から選択される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
導電性物質の前記前駆体化合物が、炭素含有化合物、特に、炭水化物、特に好ましくはラクトースである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記成分が、Ｌｉ３ＰＯ４：ＭＸｎ：Ｈ３ＰＯ４の比においておよそ８：１２：４の割合で使用される、請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
ステップ（ｂ）において、前記塩基性リチウム源を約１２当量の量を加える、請求項１〜請求項２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のうちの少なくとも１つのステップを、不活性ガス雰囲気下で行う、請求項１〜請求項２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記懸濁液の前記分散処理またはミリング処理を、分散器（ポンプローター付き、またはなし）、撹拌器Ｕｌｔｒａｔｕｒｒａｘ(R)、ミル、高速混合器、遠心力ポンプ、インライン混合器、混合ノズル、または超音波機器によって行う、請求項１３〜請求項２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
ステップ（ｂ）からの懸濁状態の前記沈殿生成物を、ステップ（ｃ）において分離し、適切であれば洗浄および乾燥し、次いで、不活性条件下または還元条件下で焼成によってリチウム金属リン酸塩に変換する、請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
ステップ（ｂ）からの前記懸濁状態の沈殿生成物を、ステップ（ｃ）において、水熱条件下でリチウム金属リン酸塩に直接的に変換する、請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
ステップ（ｃ）における水熱条件下での前記反応を、１００〜２５０℃の温度、特に、１００〜１８０℃の温度において、１ｂａｒ〜４０ｂａｒの圧力、特に、１ｂａｒ〜１０ｂａｒの蒸気圧において行う、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ステップ（ｃ）における前記沈殿生成物またはリチウム金属リン酸を分離し、必要であれば洗浄し、好ましくは乾燥ステップの前に、炭素含有前駆体化合物、好ましくは炭水化物、特に好ましくはラクトースと混合し、５０℃〜５００℃の温度において乾燥させ、不活性条件下または還元条件下で、５００℃〜１０００℃の温度、特に、７００℃〜８００℃の温度において焼成する、請求項２４〜請求項２６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは特に第一遷移系列の少なくとも１種の二価金属）のリチウム金属リン酸塩を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合成リチウムリン酸鉄（ＬｉＦｅＰＯ４）は、リチウムイオン電池の陰極材料に使用されている。米国特許第５，９１０，３８２号明細書には、充電式電池の陰極材料が記載されており、この陰極は、化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは第一遷移系列からの少なくとも１種の陽イオン）の化合物を有する。
【０００３】
国際公開第０２／０９９９１３号パンフレットには、ＬｉＭＰＯ４を製造するプロセスとして、Ｌｉ＋、Ｆｅ３＋、およびＰＯ４３−の等モル水溶液から水を蒸発させ、その結果として固体混合物を生成するプロセスが記載されている。次いで、この固体混合物を５００℃未満の温度において分解し、純粋なＬｉおよびＦｅのリン酸塩前駆体を生成する。その前駆体を還元性雰囲気下、８００℃未満の温度で反応させることにより、ＬｉＦｅＰＯ４が得られる。
【０００４】
欧州特許第１，１９５，８３８号明細書には、リチウム含有遷移金属リン酸塩ＬｉＭＰＯ４、特にＬｉＦｅＰＯ４を特に陰極材料として使用する、非水電解セルの構造が記載されている。この陰極材料は、固体プロセスにおいて合成される。このプロセスでは、乾燥した固体のリン酸リチウムとリン酸鉄（ＩＩ）八水和物とを混合し、ミリング処理を行い、熱処理によって反応させ、約６００℃において数時間焼結する。ミリング手法を使用する結果として、プロセスが複雑かつ高コストであるのみならず、残留物およびミルの摩耗によって生成物ＬｉＦｅＰＯ４に異物が混入する危険がある。
【０００５】
国際公開第０２／０８３５５号パンフレットには、一般化学式Ｌｉ（ＦｅｘＭ１ｙＭ２ｚ）ＰＯ４の２元、３元、および４元のリチウム金属リン酸塩が記載されている。Ｍ１は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｚｒ、およびＬａから成る群のうちの少なくとも１種の元素であり、Ｍ２は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｚｒ、およびＬａから成る群のうちの少なくとも１種の元素であり、０．５≦ｘ＜１、０＜ｙ＜０．５、０＜ｚ＜０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１またはｘ＝０、ｙ＝１、ｚ＝０）である。このリチウム金属リン酸塩は、元素Ｌｉと、Ｆｅと、Ｍ１もしくはＭ２またはその両方と、の前駆体化合物を水溶液から沈殿させた後、沈殿生成物を、最初に室温〜約２００℃の範囲内の温度において乾燥させ、次いで、不活性ガス雰囲気下または還元性雰囲気下、３００℃〜１０００℃の範囲内の温度において焼成する。
【０００６】
Journal of Power Sources 119-121（2003年）247〜251には、ＬｉＦｅＰＯ４を製造するウェットケミカルプロセスが記載されている。このプロセスでは、開始材料Ｆｅ３（ＰＯ４）２およびＬｉ３ＰＯ４を水溶液として混合し、ｐＨを調節して共沈させる。その後、濾過した中間物を、不活性ガス下、６５０℃〜８００℃において１２時間反応させ、リチウムリン酸鉄ＬｉＦｅＰＯ４を得る。このプロセスでは、濾液中の残留リチウム濃度が比較的高い。
【０００７】
特開平２００２−１５１０８２号公報には、リチウムリン酸鉄を製造するプロセスとして、リチウム化合物と、二価鉄化合物と、リン酸化合物とを、二価鉄イオンとリン酸イオンのモル比が約１：１となるような量において混合するプロセスが記載されている。密閉した容器内で、極性溶媒と不活性ガスとを加え、この混合物を少なくとも１００℃以上２００℃以下の温度範囲において反応させる。その後、このようにして得られたリチウムリン酸鉄を物理的に粉砕することができる。
【０００８】
リチウムリン酸鉄を製造する、従来技術から公知のこれらのプロセスにおいては、開始物質（例：シュウ酸鉄）の比較的高い材料費を受け入れなければならない。さらに、焼結プロセス時の保護ガスの消費量は相当であり、焼結中に生成物による有毒な副生成物（例：ＣＯ）が発生しうる。また、生成物の粒子サイズの分布が非常に広く二峰性であることがしばしばあり、リチウムリン酸鉄の粒子サイズが比較的大きく、粒子サイズの分布が広いことが判明している。
【０００９】
独国特許第１０３，５３，２６６号明細書には、ＬｉＭＰＯ４（Ｍは第一遷移系列の少なくとも１種の金属）化学式を持つ化合物を製造するプロセスが記載されている。最初のステップでは、沈殿物を沈殿させることによって前駆体懸濁液を生成する目的で、少なくとも１種のＬｉ＋源と、少なくとも１種のＭ２＋源と、少なくとも１種のＰＯ４３−源とを含んだ前駆体混合物を調製する。この前駆体混合物または前駆体懸濁液に分散処理またはミリング処理を行う。この処理は、前駆体懸濁液中の粒子のＤ９０が５０μｍ未満となるまで行う。処理後の前駆体懸濁液から、好ましくは水熱条件下での反応によってＬｉＭＰＯ４を製造する。得られる材料は、特に有利な点として、粒子サイズの分布幅が狭く、電極に使用するときの電気化学特性が非常に良好である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
リチウム二次電池の電極材料として使用する化学式ＬｉＭＰＯ４を持つリチウム金属リン酸塩は、二次電池の高い性能を達成するためには、化学的純度の高い基準を満たさなくてはならない。例えば、材料中にリチウム以外のアルカリ金属イオンが存在してはならない。したがって、独国特許第１０３，５３，２６６号明細書に記載されている種類のプロセスでは、沈殿物として使用できるのは純粋なリチウム化合物、特に水酸化リチウムのみである。しかしながら、このプロセスでは、本質的に、使用するリチウムイオンのうち、所望の最終生成物の製造に利用されるのは１／３のみであり、使用するリチウムイオンの残りの２／３は沈殿物としての役割を果たすのみであり、廃液に送られる。この状況は、廃液処理の問題につながり、コスト的に不利である。なぜなら、リチウムリン酸鉄の製造における原材料成分のうちリチウムがもっとも高価なためである。
【００１１】
廃液中に存在するリチウムイオンを再び利用できるようにする目的で、リチウムイオンを炭酸塩として沈殿させる試みがなされてきた。この場合、リチウム金属リン酸塩の製造時に副生成物として炭酸リチウムが得られ、さらなる目的に使用することができる。米国特許第３，８５７，９２０号明細書には、廃液からリチウムイオンを分離するプロセスとして、リチウムを炭酸塩の形で沈殿させるプロセスが記載されている。しかしながら、炭酸リチウムは、リチウム金属リン酸塩の合成に使用するためには、水への溶解性が非常に高い塩に変換しなくてはならない。塩に変換するためには、さらなる製造ステップが必要であり、これはコストの観点から好ましくない。さらに、炭酸リチウムは、沈殿することなく溶解する性質（残留溶解度）（residual solubility）が比較的高く、したがって、大量のリチウムイオンが廃液中に失われる。残留溶解度の低いリチウム化合物ならば、廃液から回収されるリチウムの収量が高まるであろうが、そのようなリチウム化合物のさらなる利用はさらに制限される。
【００１２】
本発明の目的は、化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは特に第一遷移系列の少なくとも１種の二価金属）のリチウム金属リン酸塩を製造する方法を提供することである。この方法は、使用するリチウム含有材料のほぼ全てが所望の最終生成物に変換され、理想的な場合には廃液を通じてリチウムが失われないように設計されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。本発明の方法の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
本発明は、化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、好ましくは第一遷移系列の少なくとも１種の二価金属）のリチウム金属リン酸塩を製造する方法を提供する。本発明のこの方法は、
（ａ）リン酸リチウムと、金属塩ＭＸｎと、酸性リン酸源（好ましくはリン酸）とを、極性溶媒中で反応させて、溶媒中に、少なくとも１種のＭを含有するリン酸塩の懸濁液を生成するステップであって、Ｘは、溶媒に可溶な塩を、金属Ｍとともに形成する陰イオンであり、ｎは、金属Ｍの価数を陰イオンＸの価数で割った値である、ステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）において得られた溶媒中の金属リン酸塩の懸濁液に、水酸化リチウムまたは酸化リチウムなどの塩基性リチウム源を加え、沈殿生成物を生成するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）において得られた沈殿生成物を、化学式ＬｉＭＰＯ４のリチウム金属リン酸塩に変換し、リチウムイオンを含む残留溶液を生成するステップと、
（ｄ）塩基性リン酸源、好ましくはアルカリ金属リン酸塩を、残留溶液に加え、リン酸リチウム、好ましくはオルトリン酸リチウム（lithium orthophosphate）を残留溶液から沈殿させるステップと、
（ｅ）懸濁液からリン酸リチウムを分離するステップと、
を含む。
【発明の効果】
【００１４】
リン酸リチウム、特にオルトリン酸リチウムは、水およびその他の極性溶媒に非常に溶けにくいリチウム化合物である。しかしながら、この物質は、リン酸を加えることによってリン酸二水素リチウムとして溶液に溶かすことができる。この溶解プロセスをリチウム金属リン酸塩の合成に組み込むならば、回収ステップにおいて得られるリン酸リチウムの約半分のみを合成に再循環させることができ、リン酸リチウムの残りの半分は副生成物として得られ、さらに使用するためには別の工程に付さなければならない。しかしながら、リン酸リチウムの需要は非常に小さい。オルトリン酸リチウムは、例えば、特定の有機合成の基本的な触媒として使用される。リチウム金属リン酸塩の合成において得られるリン酸リチウムのすべてを合成プロセスに再循環させ得るようにするには、リン酸の量を低減することによって、リン酸リチウムをリン酸水素二リチウム（dilithium hydrogenphosphate）として溶解させなくてはならない。しかしながら、そのための効果的な方法は開発されていない。
【００１５】
驚くべきことに、金属塩およびリン酸の存在下では、固体のリン酸リチウム、特にオルトリン酸リチウムを完全に溶解させ、それと同時に、Ｍを含有するリン酸塩として再沈殿させることが可能であることが判明した。すなわち、Ｍを含有するリン酸塩の溶解性が低いため、再結晶化が起こる。リン酸リチウムを再沈殿させてリチウム金属リン酸塩を形成するこのステップを、リチウム金属リン酸塩の製造に組み込むならば、最終ステップにおいて、リン酸リチウム、特にオルトリン酸リチウムとしてリチウムを沈殿させることによって、リチウム金属リン酸塩を製造するための必要なリチウムのすべてを、沈殿物として製造プロセスに再循環させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
最初のステップ（ａ）において、リン酸リチウム、特にオルトリン酸リチウムを、少なくとも１種の金属塩ＭＸｎと、酸性リン酸源、特にリン酸とともに、極性溶媒に溶解させる。この結果として、使用する金属イオンとの少なくとも１種のリン酸塩と、溶媒に溶けるリン酸二水素リチウムとが形成される。さらに、この溶液中には、使用する金属塩の陰イオンから形成されるリチウム塩ＬｉｍＸ（ｍは陰イオンＸの価数）が存在する。
【００１７】
酸性リン酸源としては、水におけるｐＨが７未満であり、かつリン酸陰イオンを含む、またはリン酸陰イオンに変換され得る化合物を使用することが可能である。
極性溶媒としては、水との混和性があり、好ましくはアセトンよりも極性が高い溶媒を使用することが可能である。
【００１８】
リン酸リチウム、金属塩ＭＸｎ、および酸性リン酸源は、それぞれが次の反応式の化学量論比にほぼ対応するような量において使用することが好ましい。この反応式では、一例として、酸性リン酸源としてリン酸を使用する。
【化１】
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【００１９】
次のステップ（ｂ）においては、水酸化リチウムまたは酸化リチウムなどの塩基性リチウム源を、溶解状態または固体状態において加えてｐＨを高めて、残っている金属塩ＭＸｎ（溶液中に依然として存在している）を、Ｍを含有するリン酸塩として沈殿させる。このステップの間、ＬｉｍＸは溶解したままであるのに対し、リン酸リチウム化合物は、化学量論比および反応条件に応じて完全または部分的に沈殿し、Ｍを含有するリン酸塩との沈殿生成物を形成する。加える塩基性リチウム源、好ましくは水酸化リチウムの量は、理想的な場合には、この後に製造するリチウム金属リン酸塩中に存在するリチウムの量に一致する。
【００２０】
本発明の目的においては、塩基性リチウム化合物は、水におけるｐＨが７より大きい化合物である。
塩基性リチウム源、好ましくは水酸化リチウムは、次の反応式における対応する量だけ加えることが好ましい。
【化２】
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【００２１】
しかしながら、例えば、沈殿生成物自体の特定の組成（好ましくは最終生成物として望まれるリチウム金属リン酸塩のモル組成）を達成する目的で、上述した化学量論比から逸脱することが望ましいこともある。
【００２２】
ステップ（ｂ）において得られる沈殿生成物（基本的にはＭを含有するリン酸塩と、場合によってはリン酸リチウムとから成る）を、さらなる反応ステップにおいて、所望のリチウム金属リン酸塩ＬｉＭＰＯ４に変換する。
【００２３】
この目的のため、ステップ（ｂ）において得られた懸濁液を、ステップ（ｃ）において、化学式ＬｉＭＰＯ４の所望のリチウム金属リン酸塩に水熱条件下で直接変換することが好ましい。
この水熱合成は、理想状態における次の総和反応式に従って進行する。
【化３】
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【００２４】
次いで、化学式ＬｉＭＰＯ４のリチウム金属リン酸塩を懸濁液から分離し、慣習的な方法、例えば洗浄して乾燥させることによって、さらに処理する。リチウム金属リン酸塩は、慣習的な方法、例えば、（例：加圧濾過器における）濾過、遠心分離、沈降、または上澄み溶液のデカント（decantation）によって、分離することができる。
【００２５】
ステップ（ｂ）において得られた沈殿生成物の懸濁液を、ステップ（ｃ）において、必ずしもリチウム金属リン酸塩に直接的に変換する必要はない。例えば、懸濁液から沈殿生成物を分離し、必要であれば洗浄し、乾燥させた後に、不活性条件下あるいは還元条件下における熱処理によって、リチウム金属リン酸塩に変換することも可能である。熱処理においては、沈殿生成物を焼成することができ、この焼成は、４００℃以上、好ましくは６００℃以上の温度において行うことができる。ステップ（ｂ）において得られた懸濁液から、同様に、例えば、濾過、遠心分離、またはデカントによって、沈殿生成物を分離することができる。
しかしながら、直接的な水熱反応が好ましく、なぜなら、中間ステップが少ないためである。
【００２６】
ステップ（ｃ）においては、ステップ（ｂ）において得られた沈殿生成物を懸濁液から分離する、または、水熱反応によって得られたリチウム金属リン酸塩を懸濁液から分離すると、リチウムイオンを含んだ残留溶液が形成される。
【００２７】
次いで、ステップ（ｄ）において、この残留溶液に、塩基性リン酸源、好ましくはアルカリ金属リン酸塩Ａ３ＰＯ４を加え、これにより、濾液に溶けているリチウムがリン酸リチウムの形で、好ましくはオルトリン酸リチウムとして沈殿する。アルカリ金属リン酸塩Ａ３ＰＯ４のＡは、アルカリ金属、好ましくはカリウムまたはナトリウム、特に好ましくはナトリウムである。塩基性リン酸源としては、リン酸イオンを提供し水におけるｐＨが７より大きい化合物を使用することが可能である。
リン酸リチウムの沈殿は、次の理想状態における式に従って起こる。
【化４】
2008532910.tif 000006
【００２８】
最後に、ステップ（ｅ）において、懸濁液からリン酸リチウムを分離し、必要であれば洗浄し、乾燥させる。得られた濾液をさらに処理する、または適切な処理工程に付す。
【００２９】
このように、理想的な場合、本発明の方法では、リチウム金属リン酸塩を沈殿させるために必要な当量の金属、リチウム、およびリン酸イオンのみを加える。理想的な反応条件下では、最終ステップにおいてリン酸リチウムを分離した後に得られる廃液中には、リチウムイオンと、金属Ｍのイオンが存在しない。したがって、これらのイオンが廃液に混入する量をできるだけ低く維持するためには、上述した反応式によって定義される比にできるだけ近い量を使用することが好ましい。しかしながら、例えば、沈殿生成物の形態を制御する目的で、あるいは回収されるリチウムの収量を高める目的で、例えばリン酸イオンあるいはアルカリ化物質を過剰にすることによって、上述した化学量論比から故意に逸脱させることが有利なこともある。
【００３０】
上述したように、ステップ（ｅ）において回収されるリン酸リチウムは、ステップ（ａ）に再循環させることが好ましい。したがって、製造の開始時に、適切な量のリン酸リチウムを１回のみ使用すればよく、理想的な場合、それが全体として循環する。
【００３１】
本発明の方法は、それ自体、一般的な化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは１種以上の二価金属イオンを含んでいる）を持つ化合物を製造するのに適している。Ｍは、１種以上の二価遷移金属、特にＦｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏであることが好ましい。特に好ましくは、Ｍは少なくともＦｅを含んでいる。金属イオンＭは、その１０ｍｏｌ％までの割合については二価以外の金属イオンに置き換えることもできるが、その場合、構造化学において周知のように、構造的な欠陥が生じたり、化合物の量が化学量論比に従わないことがある。Ｌｉおよびリン酸塩も、低い割合までは、各構造内において別のイオンに置き換えることができる。そのように理想的な式ＬｉＭＰＯ４から逸脱することは、一般的には望ましくないが、製造の観点から避けられないこともあり得る。しかしながら、場合によっては、材料の特性に対して有利な影響を及ぼすならば、このような逸脱が望ましいこともあり、故意に逸脱させることができる。
【００３２】
ほとんどの二価金属イオンおよび好ましくは二価遷移金属イオンは、水に容易に溶ける塩（例：硫酸塩、塩化物、硝酸塩）と、溶けにくいリン酸塩とを形成する。したがって、当業者は、本発明の方法を、上述したさまざまな金属イオンのリチウム金属リン酸塩が製造されるように、容易に適合させることができる。複数の異なる金属イオンＭを有するリチウム金属リン酸塩は、ステップ（ａ）においてさまざまな化合物ＭＸｎの混合溶液を調製することによって、簡便な方式において製造することができる。本方法を使用してＬｉＦｅＰＯ４を製造することが、特に好ましい。
【００３３】
金属塩ＭＸｎの陰イオンＸについては、反応が起こる極性溶媒に金属塩ＭＸｎが可溶であり、かつ陰イオンＸがリチウムとの可溶性化合物を形成するように選択する。Ｘは、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオンから成る群から選択することが好ましく、硫酸イオンが特に好ましい。
好ましい実施形態においては、ステップ（ａ）を開始する前に、酸性リン酸源（例：リン酸）を使用し、これを金属塩ＭＸｎの溶液に加えて、溶液のｐＨを好ましくは２未満、特に好ましくは１未満にする。この条件下では、金属Ｍの二価イオンは酸化に対して安定しており、したがって、金属リン酸塩が純粋な形で得られる。その後、ステップ（ａ）において初めて、リン酸リチウムとの反応の結果として、ｐＨが２〜６の範囲の値まで上昇する。したがって、ステップ（ａ）および以降のステップは、酸化を回避するため酸素を排除した状態で行うことが好ましい。
【００３４】
ステップ（ｂ）では、塩基性リチウム化合物（例：水酸化リチウム）を加えることによって、懸濁液のｐＨを、好ましくは６〜８までさらに上昇させる。特に好ましい実施形態においては、金属Ｍの酸化を避けるため、ステップ（ａ）において懸濁液に還元剤を加える。適切な還元剤は、例えば、硫酸リチウム、亜硫酸、亜硫酸塩、亜ジチオン酸塩、亜リン酸塩、次亜リン酸塩、クエン酸、クエン酸塩などである。
【００３５】
本発明の方法のステップ（ｄ）においては、沈殿生成物またはリチウム金属リン酸塩を分離した後に得られる残留溶液から、溶けているリチウムイオンをリン酸リチウムの形で沈殿させる。この目的のため、適切な塩基性リン酸源を加える。加えるリン酸塩源は、アルカリ金属リン酸塩、特にリン酸ナトリウムであることが有利である。しかしながら、例えば、リン酸とアルカリ化物質（例：水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム）とを組み合わせて使用することも可能である。これにより、陰イオンを置換して、溶けにくいオルトリン酸リチウムと、陰イオンＸのアルカリ金属塩（水に溶けたままである）とを生じさせることが好ましい。特に好ましい実施形態においては、濃度、温度、沈殿速度、機械的エネルギ入力などの沈殿条件は、沈殿するリン酸リチウムの粒子または凝集体（agglomerate）が、濾過および洗浄ステップにとって特に都合のよい形態となるように、具体的には、粒子または凝集体が球形となるように、設定する。この目的のため、適切な場合、塩の濃度を沈殿に最適な範囲にするため、リチウムイオンを含んでいる残留溶液を、例えば、蒸発、逆浸透によって濃縮する、あるいは水またはそれ以外の溶媒によって希釈することもできる。沈殿したリン酸リチウムを残留溶液から分離するには、例えば、（例：加圧濾過器、吸引濾過器、チャンバ濾過器プレス（chamber filter press）における）濾過、遠心分離、沈降、またはデカントによって行うことができる。ステップ（ｄ）においてリン酸塩源としてリン酸ナトリウムを使用し、かつ金属塩ＭＸｎの陰イオンＸとして硫酸イオンを使用している場合、リン酸リチウムを分離した後に得られるアルカリ性廃液には、硫酸ナトリウムのみが含まれており、これは、中和した後、大きな困難なしに処分することができる。または、別の酸性廃液を中和する目的に硫酸ナトリウムを利用し、都合のよい方法で処分することも有利である。
【００３６】
ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）における反応は、約５℃〜８０℃、より好ましくは１５℃〜６０℃、特に好ましくは室温〜５０℃の範囲内の温度において、好ましくは大気圧下で行う。しかしながら、別の反応条件も、沈殿に悪影響を及ぼさなければ採用することができる。
【００３７】
本発明の方法の好ましい実施形態においては、ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のうちの１つ以上において、懸濁液中に存在する粒子のＤ９０が５０μｍ未満になるまで、懸濁液の分散処理またはミリング処理を行う。強力な分散処理またはミリング処理の結果として、最終生成物ＬｉＭＰＯ４の粒子サイズの分布幅を非常に狭くし、粒子サイズを非常に小さくすることができる。特にステップ（ａ）もしくはステップ（ｂ）、またはその両方において分散処理またはミリング処理を行うことにより、第一に、強力な混合が達成され、第二に、懸濁液中の粒子凝集体の解凝集（deagglomeration）または粉砕（comminution）が達成される。これは、低速での撹拌では達成されない。
【００３８】
分散処理またはミリング処理は、当業者によって適切であると判断される任意の装置、すなわち、強力な混合と同時に、５０μｍ未満のＤ９０が達成されるように懸濁液中の粒子凝集体が解凝集または粉砕されるような十分な剪断力または乱流（turbulence）を発生させる装置、によって行うことができる。好ましい装置としては、分散器（ポンプローター付き／なし）、撹拌器Ｕｌｔｒａｔｕｒｒａｘ(R)、ミル（例：コロイドミル、Ｍａｎｔｏｎ−Ｇａｕｌｉｎミル）、高速混合器、遠心力ポンプ、インライン混合器、混合ノズル（例：インジェクタノズル）、または超音波機器が挙げられる。これらの装置自体は、当業者には公知である。懸濁液中の平均粒子サイズに対する望ましい効果を得るために必要な設定は、所定の手順の実験（routine experiment）によって、装置の機能のタイプによって決定することができる。
【００３９】
分散処理またはミリング処理は、少なくとも５ｋＷ／ｍ3、特に、少なくとも７ｋＷ／ｍ3の力が懸濁液に加わるように行うことが好ましい。この力の入力は、装置の機能として公知の方法によって、例えば、Ｕｌｔｒａｔｕｒｒａｘ(R)撹拌器を使用するときには、式Ｐ＝２・π・ｎ・Ｍ（Ｍはトルク、ｎは回転速度）によって、達成することができる。
ステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の少なくとも１つにおいて、懸濁液の分散処理またはミリング処理は、懸濁液中に存在する粒子のＤ９０が２５μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、特に好ましくは１５μｍ未満になるまで、行うことが好ましい。
【００４０】
ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）において、分散処理またはミリング処理は、粒子の再沈殿または沈殿が始まる前に開始し、沈殿が終了するまで続行することが好ましい。したがって、ステップ（ａ）における分散処理またはミリング処理は、金属塩ＭＸｎを加える前に開始し、Ｍを含有するリン酸塩および各リチウム塩への変換が実質的に完了するまで続行することが好ましい。同様に、ステップ（ｂ）における分散処理またはミリング処理は、塩基性リチウム塩（好ましくは水酸化リチウム）を加える前に開始し、Ｍを含有するリン酸塩への変換が完了するまで続行することが好ましい。このようにすることで、大きな板状結晶（crystal platelet）または結晶凝集体の形成が阻止され、またはこれらが壊される。これにより、リチウム金属リン酸塩へのさらなる変換の前に、前駆体化合物の均一な懸濁液が存在する。ステップ（ｂ）において得られた沈殿生成物を、最初に分離し、次いで、例えば、不活性雰囲気または還元性雰囲気下での焼成によって、最終的なリチウム金属リン酸塩に変換することができる。しかしながら、好ましい実施形態においては、リチウム金属リン酸塩への変換を水熱条件下で直接的に行い、特に好ましくは、ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のすべてを水熱容器中で行う（ワンポットプロセス）。
【００４１】
分散処理またはミリング処理によって、沈殿が非常に均一に進行し、ほぼ等しいサイズの多数の小さな結晶核の一様な混合物が形成される。次のプロセスステップ、好ましくは水熱処理において、これらの結晶核を、非常に狭い粒子サイズ分布幅を有し、かつ極めて均一に成長した、最終生成物ＬｉＭＰＯ４の結晶に変換することができる。
【００４２】
極性溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、２−プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、アセトン、シクロヘキサノン、２−メチルピロリドン、エチルメチルケトン、２−エトキシエタノール、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、あるいはこれらの溶媒の混合物を使用することが可能である。溶媒としては水が好ましい。
【００４３】
本発明の目的においては、ステップ（ｂ）において得られる混合物または懸濁液の水熱条件下での反応は、室温以上の温度における、１ｂａｒ以上の蒸気圧力における任意の処理を意味している。水熱処理自体は、当業者が精通している公知の方法で実行することができる。水熱処理の条件としては、１００〜２５０℃、特に１００〜１８０℃の温度と、１ｂａｒ〜４０ｂａｒ、特に１ｂａｒ〜１０ｂａｒの蒸気圧とを使用することが好ましい。反応は、密閉した容器または定格圧力容器（pressure-rated vessel）において行うことが好ましい。反応は、不活性ガス雰囲気または保護ガス雰囲気下で行うことが好ましい。適切な不活性ガスは、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素、またはこれらの混合物であり、窒素が好ましい。水熱処理は、例えば、０．５〜１５時間、特に好ましくは３〜１１時間行う。本発明の範囲を制限することのない単なる例としての具体的な条件として、１．５時間の加熱により５０℃（ステップ（ｂ）において得られる混合物の温度）から１６０℃とし、１６０℃における水熱処理を１０時間行い、３時間の冷却により１６０℃から３０℃にするように選択することができる。
【００４４】
本発明の方法において調製および分離された沈殿生成物、または水熱処理により得られたリチウム金属リン酸塩ＬｉＭＰＯ４には、ステップ（ｃ）において、乾燥もしくは焼成、またはその両方を行うことができる。特に、最終的なリチウム金属リン酸塩の電気化学特性の品質のためには、一般的に最終生成物の慎重な乾燥および後乾燥（after-drying）も必要である。なぜなら、たとえわずかな水分も、リチウム二次電池における電気化学材料として使用する際の問題（例：電解質塩ＬｉＰＦ６の分解）につながりからである。
【００４５】
分離した沈殿生成物、またはステップ（ｃ）において水熱処理により得られたリチウム金属リン酸塩ＬｉＭＰＯ４の乾燥／焼成は、約５０〜７５０℃の幅広い温度範囲において行うことができ、この温度はコスト的な側面にも依存する。ＬｉＭＰＯ４の製造を、炭素含有物質または導電性物質、またはその前駆体が存在しない条件下で行う場合、約５０〜３５０℃における乾燥、例えば、スティックストッフ５．０（窒素）を用い、減圧下、またはシールドガス下で、２５０℃における３時間の乾燥を行えば、ほとんどの場合に十分である。この乾燥条件は、Ｍ（ＩＩ）からＭ（ＩＩＩ）への酸化、特にＦｅ（ＩＩ）からＦｅ（ＩＩＩ）への酸化が起こらないように選択すべきであり、これは所定の手順の実験によって確立することができる。乾燥は、例えば、真空乾燥器において行うことができる。
【００４６】
ＬｉＭＰＯ４の生成を、炭素を含有する導電性物質またはその前駆体の存在下で行う場合、一般的には、不活性条件下または還元条件下での５００℃以上あるいは７００℃以上の中間乾燥温度を選択する。具体的には、焼成は、例えば、スティックストッフ５．０（窒素）を用い、７５０℃において、例えば３時間行うことができる。炭素含有物質または導電性物質の望ましい導電性被膜は、温度が十分に高いときにのみ得られる。条件は、第一に、Ｍ（ＩＩ）からＭ（ＩＩＩ）への酸化、特にＦｅ（ＩＩ）からＦｅ（ＩＩＩ）への酸化が起こらないように、第二に、Ｍ（ＩＩ）から例えばリン化物への還元が起こらないように、選択することが有利である。焼成は、当業者に公知の装置において行うことができる。
【００４７】
ＬｉＦｅＰＯ４の粒子が大きすぎると、充電／放電速度が高い（充電／放電電流が大きい）ときに、電池から取り出すことのできる容量が、動力学的な原因によって制限される。すなわち、放電時にリチウムイオンがＬｉＭＰＯ４／ＭＰＯ４の界面を十分に迅速に移動できなくなり、充電／放電速度が高いときの電極の容量が大幅に下がる。しかし、たとえ充電／放電電流が大きいときにも容量が十分であることは、リチウムリン酸鉄の商業用途において重要である。
【００４８】
本発明の方法によって得られるＬｉＭＰＯ４の粒子サイズ分布幅は、極めて狭いことが好ましく、特に好ましい実施形態においては、Ｄ９０とＤ１０との間の差は２μｍ以下であり、好ましくは１．５μｍ以下、特に１μｍ以下、特に好ましくは０．５μｍ以下である。
【００４９】
本発明の好ましい実施形態においては、反応は、さらなる成分、特に、導電性物質の存在下において行う。この目的には、炭素含有固体（例：カーボン）、特に導電性カーボンまたは炭素繊維を使用することが好ましい。また、導電性物質の前駆体または炭素含有固体の前駆体（例：炭水化物）を使用することも可能であり、これらの前駆体は、ＬｉＭＰＯ４の乾燥または焼成時に炭素粒子に変換される。最終的なＬｉＭＰＯ４生成物中に存在する炭素粒子は、均一に分布していることが好ましい。
【００５０】
炭素、炭素含有材料、または導電性の材料を導入するプロセス、あるいはさらなる成分と混合するプロセスとしては、原理的には、当業者が精通した任意のプロセスが適している。最終的なＬｉＭＰＯ４に対して、少なくとも１種の炭素含有固体（例：導電性カーボン）との強力な混合またはミリング処理を行うこともできる。さらには、水性懸濁液または非水性懸濁液中でＬｉＭＰＯ４粒子の表面に炭素粒子を添加するプロセス、あるいは、ＬｉＭＰＯ４粉末またはＬｉＭＰＯ４の前駆体（例：ステップ（ｂ）において得られる沈殿生成物）と炭素前駆体材料との混合物を熱分解するプロセスも可能である。得られた炭素含有ＬｉＭＰＯ４は、一般的には、重量比で最大１０％、好ましくは最大５％、特に好ましくは最大２．５％の炭素を含んでいる。
【００５１】
ステップ（ｃ）において、少なくとも１種の炭素前駆体材料、好ましくは炭水化物（例：砂糖、セルロース）、特に好ましくはラクトースと、沈殿の後に分離した沈殿生成物、または水熱処理の後に分離したＬｉＭＰＯ４粉末とを、例えば混練（kneading）によって混合する（補助剤として水を加えることができる）熱分解プロセスが、工業界では常用される。この混合では、洗浄の後、水分を含んだ沈殿生成物またはＬｉＭＰＯ４粉末を乾燥させる前に行うことが、工業界では常用される。次いで、この混合物を、保護ガス下または空気中、あるいは減圧下で、好ましくは５０℃〜５００℃の温度において乾燥させ、保護ガス（例：窒素またはアルゴン）下で、５００℃〜１０００℃、好ましくは７００℃〜８００℃の温度まで加熱し、その結果として、炭素前駆体材料が炭素に熱分解される。この後、例えば回転スクリーンミル（rotary screen mill）中で解凝集処理を行うことが好ましい。
【００５２】
炭素の含有により、本発明の方法によって得られるＬｉＭＰＯ４粉末の表面の特性が変わるため、ＬｉＭＰＯ４粉末を処理して電池の電極を製造する能力が向上し、また、電池の電極の電気接触性が向上する。
【００５３】
以下では、本発明の方法について、本発明の範囲を制限することのない実施例と理想状態における反応式とを用いて、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、独国特許第１０３，５３，２６６号明細書から公知である種類の方法を示している。最初のステップにおいて、３６当量の水酸化リチウムと、１２当量の硫酸鉄と、１２当量のリン酸とを、それぞれ水溶液の形態において、強い分散作用およびミリング作用（Ｒ）の存在下で反応させる。この場合、次の反応式に従って硫酸鉄とリン酸とが反応し、リン酸鉄（ＩＩ）八水和物（合成藍鉄鉱）が生じる。
【化５】
2008532910.tif 000007
【００５４】
次いで、得られた前駆体混合物を、水熱条件下で、所望の純相の（phase-pure）リチウムリン酸鉄に変換する（Ｈ）。この反応は、次の式に従って起こる。
【化６】
2008532910.tif 000008
【００５５】
形成されたＬｉＦｅＰＯ４を濾過（Ｆ）によって分離することができ、これが所望の最終生成物である。１２当量のＬｉ２ＳＯ４は廃液中に残り、さらに処理するか、または何らかの別の処理工程に付さなければならない。図１に示した反応においては、３６当量のリチウムを使用し、そのうちの１／３（１２当量）が所望の最終生成物ＬｉＦｅＰＯ４に変換され、２４当量を、Ｌｉ２ＳＯ４の形で廃棄物として処分しなければならない。
【００５６】
図２は、本発明の方法を概略的に示している。最初のステップ（Ｒ１）において、固体のオルトリン酸リチウムを、硫酸鉄およびリン酸と反応させると、次の式に従って、藍鉄鉱と、リン酸二水素リチウムと、硫酸鉄と、硫酸リチウムとが生じる。
【化７】
2008532910.tif 000009
【００５７】
ステップＲ２において、この懸濁液に水酸化リチウムを加えると、溶液中に残っている硫酸鉄が藍鉄鉱として沈殿し、リチウムは対応するリン酸塩に変換される。この反応は、次の反応式に従って起こる。
【化８】
2008532910.tif 000010
【００５８】
ステップＲ２において得られる混合物は、図１の方法における反応Ｒにおいて得られる組成に一致している。
次いで、図１のステップＨに似た方法で水熱反応を行い、固体の極めて純相な状態のリチウムリン酸鉄を生成する（Ｈ）。
【化９】
2008532910.tif 000011
【００５９】
この反応により、１２当量の所望のリチウムリン酸鉄が生じる。
リチウムリン酸鉄を濾過（Ｆ１）によって分離した後、１２当量のＬｉ２ＳＯ４が溶解している濾液が得られる。
リン酸ナトリウムを加えることにより、リチウムイオンがオルトリン酸リチウムの形で沈殿する（Ｒ３）。
【化１０】
2008532910.tif 000012
【００６０】
沈殿物を分離することができ（Ｆ２）、オルトリン酸リチウムをステップＲ１に再循環させることができる。濾液中には１２当量のＮａ２ＳＯ４が依然として存在しており、これは廃液として処分しなければならない。
図２に示した循環プロセスでは、全体として、１２当量の水酸化リチウムと、１２当量の硫酸鉄と、４当量のリン酸と、８当量のオルトリン酸ナトリウムとを導入し、これらが、１２当量のＬｉＦｅＰＯ４と１２当量のＮａ２ＳＯ４とに変換される。図１の方法と比較すると、廃液中に存在するＬｉ２ＳＯ４がＮａ２ＳＯ４に置き換わっている。
【実施例】
【００６１】
粒子サイズ分布の測定
前駆体の懸濁液および生成されるＬｉＭＰＯ４の粒子サイズ分布は、市販されている機器を使用しての光散乱によって求められる。この方法は当業者に公知であり、特開２００２−１５１０８２号公報および国際公開第０２／０８３５５５号パンフレットの開示内容を参照することができ、これらの文書は、本明細書に参考とすることにより引用されている。実施例においては、レーザー光散乱機器（Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（ドイツ、ヘレンベルグ）製のＭａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ  Ｓ）と、同社からのソフトウェア（バージョン２．１９）とを使用し、測定装置としてＭａｌｖｅｒｎ  Ｓｍａｌｌ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｓａｍｐｌｅ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｕｎｉｔ（ＤＩＦ  ２００２）を用いて、粒子サイズ分布を求めた。測定条件は、圧縮範囲（compressed range）、有効ビーム長：２．４ｍｍ、測定範囲：３００ＲＦ、０．０５〜９００μｍ、を選択した。試料の作成および測定は、このメーカーのマニュアルに従って行った。
Ｄ１０、Ｄ５０、およびＤ９０値は、総体積に対する各粒子の体積比に基づく。すなわち、Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０値は、それぞれ、測定した試料の粒子のうちの１０％（体積比）、５０％（体積比）、９０％（体積比）が、ある直径以下のときの、その直径値である。
【００６２】
［実施例１］：Ｎａ３ＰＯ４によるＬｉ３ＰＯ４の沈殿
図１に示した方法によってＬｉＦｅＰＯ４を製造するときに得られる、陰イオンベースで８．５ｇ／ｌのリチウムを含有している廃液に、Ｌｉ３ＰＯ４を沈殿させる目的で、沈殿剤として、化学量論量よりも１０％過剰のＮａ３ＰＯ４の飽和溶液（脱イオン水１００ｍｌ中に２５ｇのＮａ３ＰＯ４・８Ｈ２Ｏ）を混合した。各場合において廃液の量は５０ｍｌであり、溶液をただちに振蕩した後、磁気撹拌器によって１時間撹拌した。吸引濾過および濾紙上での洗浄の後、濾過ケーキを６０℃において乾燥させた。次いで、濾液を等量の３つの部分に分け、ｐＨが徐徐に上昇したときの沈殿（after-precipitation）について調べる目的で、５０％濃度の水酸化ナトリウム溶液によって、それぞれ、複数の異なるｐＨ値まで上昇させた。表１は、薄膜濾過器による吸引濾過後のこれらの溶液の分析値と、濾過ケーキの乾燥重量とを示している。この結果によると、リチウムの最大９０％が廃液からオルトリン酸リチウムとして回収された。これらの実験においては、ｐＨが上昇しても、収量の明らかな増大にはつながっていない。
【表１】
2008532910.tif 000013
【００６３】
同様に、リチウム含有量５．６ｇ／ｌの１００ｍｌのさらなる廃液から、Ｎａ３ＰＯ４を化学量論量だけ加えることによってＬｉ３ＰＯ４を沈殿させた。表２は、対応する結果を示している。
【表２】
2008532910.tif 000014
【００６４】
実際の実験において観察されたリチウムおよびリン酸塩の残留含有量は、溶解性の生成物と、沈殿平衡に関与する種類のプロトリシス定数（protolysis constant）とから理論的に計算される平衡値よりも多い。図３は、さまざまなリン酸塩濃度の場合における、廃液中に残るリチウム濃度とｐＨとの関係の計算値を示している。図４に示したＸ線回折スペクトル（ＸＲＤ）によると、沈殿生成物は、純相のＬｉ３ＰＯ４から成る。洗浄後のナトリウムおよび硫酸塩の含有量は、０．８〜１．４％（重量比）、または１．１〜１．５％（重量比）の範囲である。図５は、沈殿したＬｉ３ＰＯ４粉末の走査電子顕微鏡写真を示している。この粉末は、小さな棒状の一次結晶が放射状に集まって、数μｍ程度の球状の二次粒子を形成している。球状の二次粒子は、不規則な形の凝集体を形成しており、これら凝集体のＤ５０は、図６に示したレーザー粒度分布測定によって求めた粒子サイズ分布によると１６μｍである。
【００６５】
［実施例２］：Ｌｉ３ＰＯ４、硫酸鉄、リン酸、還元剤の反応による藍鉄鉱の形成
各場合において、１０．８ｇの硫酸鉄（ＩＩ）七水化物と、１．４９ｇの８５％濃度のリン酸と、３８．９ｇの水とを含んでいる溶液中で、実施例１において得られたオルトリン酸リチウムの粉末３ｇをスラリー状にし、ガラスビーカー内で１時間撹拌した。空気との接触を低減する目的で、ガラスビーカーを膜で覆った。さらに、還元剤として、５％濃度の亜硫酸（Ｆｅベース）を、０ｍｏｌ％、１ｍｏｌ％、５ｍｏｌ％の濃度になるように、酸性溶液に加えた。ただちに形成される薄い空色の懸濁液を、薄膜により吸引濾過し、洗浄した濾過ケーキを７０℃において２時間乾燥させた。このようにして得られた空色の粉末は、Ｘ線回折スペクトルによると、実質的に純相の合成藍鉄鉱から成る。表３は、濾液の分析値をまとめたものである。
【表３】
2008532910.tif 000015
【００６６】
［実施例３］：循環プロセスによるリチウムリン酸鉄の製造
Ｐａｒｒ撹拌式オートクレーブにおいて、０．８ｌの脱イオン水に１２０ｇのオルトリン酸リチウムをスラリー状にし、スティックストッフ５．０（窒素）を導入する。このオートクレーブは、ブレードの傾いた撹拌器と調整装置Ｐａｒｒ  ４８４２とを備えており、公称容積３．８ｌである。２ｌの水に溶かした４３２．１７ｇの硫酸鉄（ＩＩ）七水化物と、５９．７４ｇの８５％濃度のリン酸とを、ゆっくりと送り込む。懸濁液を、ブレードの傾いた撹拌器によって１時間撹拌し、撹拌中、分散器（中央ジェネレータを備えたＩＫＡ−Ｌａｂｏｒｐｉｌｏｔ  ＵＴＬ２０００／４）によるポンプ作用によって循環させる。分散手順を続けている間、（０．８ｌの水に溶かした）６６．４８ｇの水酸化リチウム一水和物を加える。加えた後、撹拌式オートクレーブを分散器から取り外し、圧力が維持されるように閉じる。分散器の中に依然として存在している懸濁液を、フィルタ膜による吸引濾過を行って洗浄し、沈殿生成物の試料として使用する。オートクレーブの内容物を水熱処理するため、撹拌式オートクレーブを１．５時間かけて１６０℃まで加熱し、撹拌を続けながらその温度を１０時間維持する。冷却した後、灰白色の懸濁液を加圧濾過器の濾紙を通じて濾過し、伝導率が２００μＳ／ｃｍになるまで洗浄する。ゆっくりと流れる（flow apart）濾過ケーキを、真空オーブン内で７０℃において一晩乾燥させ、０．０８ｍｍのスクリーンを備えた実験室のローターミル（「Ｆｒｉｔｓｃｈ  Ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｔｔｅ  １４」）内で解凝集させる。このようにして得られる灰白色の粉末は、Ｘ線回折スペクトルによると、純相の三燐石（triphyline）である（図７）。レーザー粒度分布測定（Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ  Ｓ  Ｖｅｒｓｉｏｎ  ２．１９）では、わずかに二峰性の粒子サイズ分布を示し、体積ベースのＤ１０が０．３μｍ、Ｄ５０が１．８μｍ、Ｄ９０が４．５μｍである（図８）。ＢＥＴ法によって求められる表面積は、約１５ｍ２／ｇである。図９は、得られたリチウムリン酸鉄の粉末の走査電子顕微鏡写真を示している。
【００６７】
Ｘ線回折によると、分散器から取り出した緑色がかった沈殿生成物は、藍鉄鉱とオルトリン酸リチウムの混合物から成る。図１０に示した粒子サイズ分布においては、体積ベースのＤ１０が０．４μｍ、Ｄ５０が５．２μｍ、Ｄ９０が１５．９μｍである。
【００６８】
分離した対応する濾液の分析値は、Ｆｅが１ｍｇ／ｌ、リン酸塩が２８ｍｇ／ｌ、リチウムが７．１ｇ／ｌである。したがって、リン酸塩とリチウムのモル比は３：１００００と非常に小さく、このことは、沈殿反応の後、リン酸リチウムの大部分が溶液としてではなく固体として存在していることを示している。従って、この固体は、炭素含有前駆体物質が存在する、または存在しない条件下において、還元雰囲気下または不活性雰囲気下における焼成によって、ほぼ純相のリチウムリン酸鉄に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】独国特許第１０３，５３，２６６号明細書から公知である種類のプロセスを概略的に示している。
【図２】本発明の方法を概略的に示している。
【図３】ｐＨおよび残留リン酸塩濃度の関係を理論的に計算した、廃液中の残留リチウム濃度のグラフを示している。
【図４】実施例１における沈殿したＬｉ３ＰＯ４のＸ線回折スペクトルを示している。
【図５】実施例１における沈殿したＬｉ３ＰＯ４の走査電子顕微鏡写真を示している。
【図６】実施例１における沈殿したＬｉ３ＰＯ４の、レーザー粒度分布測定によって求めた粒子サイズ分布を示している。
【図７】実施例３における、水熱処理により得られたリチウムリン酸鉄のＸ線回折スペクトルを示している。
【図８】実施例３における、水熱処理により得られたリチウムリン酸鉄の、レーザー粒度分布測定によって求めた粒子サイズ分布を示している。
【図９】実施例３における、水熱処理により得られたリチウムリン酸鉄の走査電子顕微鏡写真を示している。
【図１０】実施例３における、水熱処理前の沈殿生成物の、レーザー粒度分布測定によって求めた粒子サイズ分布を示している。
【図１】
2008532910.tif 000016
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図５】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年3月10日(2008.3.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは少なくとも１種の二価金属）のリチウム金属リン酸塩を製造する方法であって、
（ａ）リン酸リチウムと、少なくとも１種の金属塩ＭＸｎと、酸性リン酸源とを、極性溶媒中で反応させて、前記溶媒中に、少なくとも１種のＭを含有するリン酸塩の懸濁液を生成するステップであって、ここでＸは、前記溶媒に可溶な塩を、前記金属Ｍとともに形成する陰イオンであり、ｎは、前記金属Ｍの価数を前記陰イオンＸの価数で割った値であり、
（ｂ）ステップ（ａ）において得られた、前記溶媒中の、Ｍを含有するリン酸塩の前記懸濁液に、塩基性リチウム源を加えて、沈殿生成物を生成するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）において得られた前記沈殿生成物を、リチウム金属リン酸塩（化学式ＬｉＭＰＯ４）に変換し、リチウムイオンを含む残留溶液を生成するステップと、
（ｄ）前記残留溶液に塩基性リン酸源を加えることにより、リン酸リチウムを前記残留溶液から沈殿させるステップと、
（ｅ）前記懸濁液から前記リン酸リチウムを分離するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
ステップ（ｅ）において得られる前記リン酸リチウムをステップ（ａ）に再循環させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ｍが、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉから成る群から選択される少なくとも１種の遷移金属である請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記リン酸リチウムがオルトリン酸リチウムである、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
Ｘが、塩素イオン、硝酸イオンおよび硫酸イオンから成る群から選択される、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ａ）において、前記溶液のｐＨを、２未満の値から、２〜６の範囲内の値に上昇させ、ステップ（ｂ）において、６〜８の範囲内の値に上昇させる、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ステップ（ａ）もしくはステップ（ｂ）、またはその両ステップにおいて、還元剤を添加する、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記極性溶媒が水である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）において使用する前記酸性リン酸源が、オルトリン酸である、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ｂ）において使用する前記塩基性リチウム源が、水酸化リチウムもしくは酸化リチウム、またはその両方である、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ｄ）において使用する前記塩基性リン酸源が、アルカリ金属リン酸塩である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）における前記反応を、５℃〜８０℃の温度において行う、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のうちの少なくとも１つのステップにおいて、前記懸濁液中に存在する粒子のＤ９０が５０μｍ未満となるまで、前記懸濁液の分散処理またはミリング処理を行う、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記懸濁液中に存在する前記粒子のＤ９０が、２５μｍ未満である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記分散処理またはミリング処理を、ステップ（ａ）もしくは（ｂ）、またはその両ステップにおいて行う、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ステップ（ａ）における前記分散処理またはミリング処理を、前記金属塩ＭＸｎを添加する前に開始し、リン酸リチウム化合物への変換が完了するまで続行するか、もしくは、
ステップ（ｂ）における前記分散処理またはミリング処理を、前記水酸化リチウムを加える前に開始し、Ｍを含有するリン酸塩への変換が完了するまで続行するか、またはその両方である、請求項１３〜請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のうちの少なくとも１つのステップにおいて、炭素含有物質、導電性物質、導電性物質の前駆体化合物、のうちの少なくとも１つを加える、請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記導電性物質が、カーボン、特に導電性カーボン、および炭素繊維、から選択される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記導電性物質の前駆体化合物が、炭素含有化合物である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記成分が、Ｌｉ３ＰＯ４：ＭＸｎ：Ｈ３ＰＯ４の比においておよそ８：１２：４の割合で使用される、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
ステップ（ｂ）において、前記塩基性リチウム源を約１２当量の量を加える、請求項１〜請求項２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）のうちの少なくとも１つのステップを、不活性ガス雰囲気下で行う、請求項１〜請求項２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記懸濁液の前記分散処理またはミリング処理を、分散器（ポンプローター付き、またはなし）、撹拌器Ｕｌｔｒａｔｕｒｒａｘ(R)、ミル、高速混合器、遠心力ポンプ、インライン混合器、混合ノズル、または超音波機器によって行う、請求項１３〜請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
ステップ（ｂ）からの懸濁状態の前記沈殿生成物を、ステップ（ｃ）において分離し、適切であれば洗浄および乾燥し、次いで、不活性条件下または還元条件下で焼成によってリチウム金属リン酸塩に変換する、請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
ステップ（ｂ）からの前記懸濁状態の沈殿生成物を、ステップ（ｃ）において、水熱条件下でリチウム金属リン酸塩に直接的に変換する、請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
ステップ（ｃ）における水熱条件下での前記反応を、１００〜２５０℃の温度、特に、１００〜１８０℃の温度において、１ｂａｒ〜４０ｂａｒの圧力、特に、１ｂａｒ〜１０ｂａｒの蒸気圧において行う、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ステップ（ｃ）における前記沈殿生成物またはリチウム金属リン酸を分離し、必要であれば洗浄し、好ましくは乾燥ステップの前に、炭素含有前駆体化合物、好ましくは炭水化物、特に好ましくはラクトースと混合し、５０℃〜５００℃の温度において乾燥させ、不活性条件下または還元条件下で、５００℃〜１０００℃の温度、特に、７００℃〜８００℃の温度において焼成する、請求項２４〜請求項２６のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
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