(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含み、
前記金属吸着材が、鉄イオン（Ｆｅ２＋、Ｆｅ３＋）を吸着することができる材料である、リチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料。
【請求項２】
前記炭素材料が、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよび活性炭からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料。
【請求項３】
前記金属吸着材が、オキシ水酸化鉄、水酸化鉄またはリン酸カルシウムである、請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料。
【請求項４】
金属元素の含有量が、前記炭素材料の０．０１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下である、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金属吸着材担持炭素材料。
【請求項５】
炭素質被膜で被覆されたＦｅを含むオリビン系正極活物質と、請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料と、を含む、リチウムイオン二次電池用正極材料。
【請求項６】
電極集電体と、該電極集電体の上に形成された正極合剤層と、を備えたリチウムイオン二次電池用正極であって、
前記正極合剤層は、請求項５に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料を含有する、リチウムイオン二次電池用正極。
【請求項７】
正極と、負極と、非水電解質と、を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極として、請求項６に記載のリチウムイオン二次電池用正極を備える、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金属吸着材担持炭素材料、リチウムイオン二次電池用正極材料、リチウムイオン二次電池用正極、リチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池において、鉄含有材料を正極材料として用いた場合、正極材料から電解液に鉄イオンが溶出する。鉄イオンは、電池の駆動に伴い負極側に移動する。負極側に移動した鉄イオンは、負極表面にて還元されて鉄となる。その結果、負極表面に鉄が析出し、電池のサイクル特性が悪化する。
【０００３】
従来、正極材料からの鉄イオン溶出を抑制する方法が検討されている。
例えば、リン酸リチウム系粒子の結晶性を高めて、リン酸リチウム系粒子からの鉄の溶出を抑制する方法が知られている。
また、正極活物質の表面を炭素で被覆し、正極活物質からの鉄の溶出を抑制する方法が知られている。
さらに、電解液にキレート剤を混合し、そのキレート剤で正極材料から溶出した鉄イオンを捕集する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５０７０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、リン酸リチウム系粒子の結晶性を高める方法では、鉄の溶出を完全に抑制することは難しかった。
また、正極活物質の表面を炭素で完全に被覆しようとすると、炭素質被膜の厚さが大きくなる。炭素質被膜の厚さが大きくなると、リチウムイオンの移動に影響を及ぼし、特性が悪くなる。
さらに、キレート剤で鉄イオンを捕集する方法では、電池の駆動中に電解液中のキレート剤が負極側に移動し、負極表面に析出することにより、鉄の析出を抑制するが、一方で、キレート剤が電子およびリチウムイオンの移動の妨げとなる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極材料から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができる金属吸着材担持炭素材料、金属吸着材担持炭素材料を含むリチウムイオン二次電池用正極材料、リチウムイオン二次電池用正極材料を含むリチウムイオン二次電池用正極、およびリチウムイオン二次電池用正極を備え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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含み、前記金属吸着材が、鉄イオン（Ｆｅ２＋、Ｆｅ３＋）を吸着することができる材料である、リチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料を提供する。
【０００８】
本発明の一態様においては、前記炭素材料が、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよび活性炭からなる群から選択される少なくとも１種であってもよい。
【０００９】
本発明の一態様においては、前記金属吸着材が、オキシ水酸化鉄、水酸化鉄またはリン酸カルシウムであってもよい。
【００１０】
本発明の一態様においては、金属元素の含有量が、前記炭素材料の０．０１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下であってもよい。
【００１１】
本発明の一態様においては、炭素質被膜で被覆されたＦｅを含むオリビン系正極活物質と、本発明の一態様のリチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料と、を含む、リチウムイオン二次電池用正極材料を提供する。
【００１２】
本発明の一態様は、電極集電体と、該電極集電体の上に形成された正極合剤層と、を備えたリチウムイオン二次電池用正極であって、前記正極合剤層は、本発明の一態様のリチウムイオン二次電池用正極材料を含有する、リチウムイオン二次電池用正極を提供する。
【００１３】
本発明の一態様は、正極と、負極と、非水電解質と、を備えるリチウムイオン二次電池であって、前記正極として、本発明の一態様のリチウムイオン二次電池用正極を備える、リチウムイオン二次電池を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極材料から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができる金属吸着材担持炭素材料、金属吸着材担持炭素材料を含むリチウムイオン二次電池用正極材料、リチウムイオン二次電池用正極材料を含むリチウムイオン二次電池用正極、およびリチウムイオン二次電池用正極を備え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】
【００１６】
本発明の金属吸着材担持炭素材料、リチウムイオン二次電池用正極材料、リチウムイオン二次電池用正極、リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００１７】
［金属吸着材担持炭素材料］
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料は、炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含む。言い換えれば、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料は、炭素材料と、該炭素材料に付着した金属吸着材と、を含む。なお、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料における炭素材料は、一次粒子である。
【００１８】
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の形状としては、球状、楕円球状、板状、層状等が挙げられる。
【００１９】
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料は、一次粒子である。本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の平均一次粒子径は、炭素材料が後述するカーボンブラックの場合、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることがより好ましい。本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の平均一次粒子径は、炭素材料が後述するカーボンナノチューブの場合、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の平均一次粒子径は、炭素材料が後述する活性炭の場合、１μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上１５０μｍ以下であることがより好ましい。
金属吸着材担持炭素材料の平均一次粒子径は、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最も長い辺の長さを測定して、その平均値として求めることができる。
【００２０】
「炭素材料」
炭素材料としては、特に限定されないが、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよび活性炭からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【００２１】
カーボンブラックとしては、下記の平均一次粒子径や比表面積の範囲を満たしていれば特に限定されないが、具体的には、三菱化学社製の♯３０３０Ｂ（商品名）、三菱化学社製の♯３３５０Ｂ（商品名）、東海カーボン社製のトーカブラック♯５５００（商品名）、東海カーボン社製のトーカブラック♯４３００（商品名）、デンカ社製のデンカブラックＦＸ−３５（商品名）、デンカ社製のデンカブラックＨＳ−１００（商品名）等が挙げられる。
【００２２】
カーボンブラックの平均一次粒子径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることがより好ましい。
カーボンブラックの平均一次粒子径は、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最も長い辺の長さを測定して、その平均値として求めることができる。
【００２３】
カーボンブラックの一次粒子の比表面積は、１０ｍ２／ｇ以上３００ｍ２／ｇ以下であることが好ましく、２５ｍ２／ｇ以上２５０ｍ２／ｇ以下であることがより好ましい。
カーボンブラックの一次粒子の比表面積は、比表面積計を用いて、窒素（Ｎ２）吸着によるＢＥＴ法により求められる。
【００２４】
カーボンナノチューブとしては、下記の直径や長さの範囲を満たしていれば特に限定されないが、具体的には、島貿易社製のＨＣＮＴｓ２（商品名）、島貿易社製のＨＣＮＴｓ１０（商品名）、島貿易社製のＣＮＴｓ２０（商品名）、コアフロント社製の０５５０ＣＡ（商品名、単層ＣＮＴ）、コアフロント社製の０５５０ＣＡ−ＯＨ（商品名、単層ＣＮＴ＋ＯＨ官能基化）、コアフロント社製の０５５２ＣＡ−ＯＨ（商品名、多層ＣＮＴ＋ＯＨ官能基化）、コアフロント社製の０５５０ＣＡ−ＣＯＯＨ（商品名、単層ＣＮＴ＋ＣＯＯＨ官能基化）等が挙げられる。
【００２５】
カーボンナノチューブの直径は、０．１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
カーボンナノチューブの直径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により測定することができる。
【００２６】
カーボンナノチューブの長さは、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。
カーボンナノチューブの長さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により測定することができる。
【００２７】
活性炭としては、下記の直径（メッシュ）の範囲を満たしていれば特に限定されないが、具体的には、クラレ社製の脱色・精製用ＰＫ（商品名）、ユーイーエス社製のＵＣＧ−ＣＰＳ（商品名）、ユーイーエス社製のＵＣＧ−ＮＰ（商品名）等が挙げられる。
【００２８】
活性炭の直径（メッシュ）は、２００μｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以下であることがより好ましい。
活性炭の直径（メッシュ）は、標準ふるいを用いた分級により測定することができる。また、さらに粉砕を行い小さくしたものについては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて個々の一次粒子の最も長い辺の長さを測定して、その平均値として求めることができる。
【００２９】
これらの炭素材料は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００３０】
「金属吸着材」
金属吸着材としては、鉄イオン（Ｆｅ２＋、Ｆｅ３＋）を吸着することができるものであれば、特に限定されず、例えば、オキシ水酸化鉄、水酸化鉄、リン酸カルシウム等が挙げられる。これらの中でも、鉄イオンとの親和性に優れる点から、オキシ水酸化鉄が好ましい。
【００３１】
オキシ水酸化鉄は、水酸化第二鉄が結晶化したものであり、α−オキシ水酸化鉄（α−ＦｅＯＯＨ）、β−オキシ水酸化鉄（β−ＦｅＯＯＨ）、γ−オキシ水酸化鉄（γ−ＦｅＯＯＨ）およびδ−オキシ水酸化鉄（δ−ＦｅＯＯＨ）の混合物である。オキシ水酸化鉄は、炭素材料に担持された状態で安定に存在する。
【００３２】
オキシ水酸化鉄は、球状結晶、板状結晶等であることが好ましい。
【００３３】
オキシ水酸化鉄の粒径は、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３４】
オキシ水酸化鉄の製造方法を説明する。
本実施形態におけるオキシ水酸化鉄の製造方法は、表面活性化させたカーボンブラック粒子と純水に溶解させた硝酸鉄（ＩＩＩ）・９水和物とを所定量混合して懸濁液を調製する工程と、前記の懸濁液に対して、水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し中和する工程と、中和した懸濁液を６０℃にて７２時間、加熱処理する工程と、加熱処理後の懸濁液をろ過し、ろ別（回収）した粒子を洗浄した後、乾燥する工程と、を有する。
【００３５】
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料では、金属吸着材の含有量が、金属元素の含有量で表される。本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料における金属元素の含有量は、炭素材料の０．０１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、０．０５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。金属元素の含有量が前記下限値未満では、鉄イオン吸着性能が充分ではない。一方、金属元素の含有量が前記上限値を超えると、炭素材料表面における金属元素の担持量が多くなり過ぎて、炭素材料表面から金属元素が脱落する。
【００３６】
金属吸着材がオキシ水酸化鉄である場合、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料におけるオキシ水酸化鉄の含有量が、鉄元素（Ｆｅ）の含有量で表される。
炭素材料がカーボンブラックである場合、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料におけるオキシ水酸化鉄の含有量は、Ｆｅ換算で０．０５ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
炭素材料がカーボンナノチューブである場合、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料におけるオキシ水酸化鉄の含有量は、Ｆｅ換算で０．１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
炭素材料が活性炭である場合、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料におけるオキシ水酸化鉄の含有量は、Ｆｅ換算で０．１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００３７】
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料は、炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含むため、正極材料に用いた場合に、電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極材料から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができる。
【００３８】
例えば、金属吸着材がオキシ水酸化鉄である場合、オキシ水酸化鉄の水酸基の水素と正極材料から溶出した鉄イオンが置換して、鉄イオンが金属吸着材担持炭素材料に吸着される。
【００３９】
［金属吸着材担持炭素材料の製造方法］
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の製造方法は、炭素材料に金属吸着材を担持させる工程を有する。なお、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の製造方法は、炭素材料に金属吸着材を担持させる工程の前に、炭素材料の表面活性処理を行う工程を有していてもよい。
【００４０】
「炭素材料の表面活性処理工程（工程Ａ）」
工程Ａでは、炭素材料に金属吸着材を担持させるために、予め炭素材料の表面活性を高める処理を施す。
【００４１】
硫酸に硝酸をゆっくりと加え、これらの混合物を室温（２５℃）まで冷却した後、その混合物に過マンガン酸カリウムを溶解し、表面処理液を調製する。
硫酸と硝酸の混合比は、質量比（硫酸：硝酸）で、５：１以上１：５以下であることが好ましい。
前記の混合物１００質量部に対する過マンガン酸カリウムの添加量は、３質量部以上２０質量部以下であることが好ましい。
【００４２】
次に、表面処理液に炭素材料を浸漬し、室温（２５℃）にて、０．５時間以上５時間以下保持する。
表面処理液１００質量部に対する炭素材料の添加量は、１質量部以上３０質量部以下であることが好ましい。
【００４３】
その後、炭素材料を含む表面処理液に純水を追加し、０．５時間以上５時間以下保持する。
炭素材料を含む表面処理液１００質量部に対する純水の添加量は、１００質量部以上５００質量部以下であることが好ましい。
【００４４】
さらに、炭素材料を含む表面処理液が透明になり、気泡が発生しなくなるまで、炭素材料を含む表面処理液に過酸化水素水を添加する。
【００４５】
気泡が発生しなくなった後、表面処理液中の炭素材料をろ過し、回収した炭素材料を純水で洗浄する。
【００４６】
次に、洗浄後の炭素材料を、０．１ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム水溶液に水酸化ホウ素ナトリウム０．５ｇを溶解した水溶液に浸漬し、９０℃にて０．５時間以上２４時間以下熱処理を行う。
【００４７】
次に、水溶液中の炭素材料をろ過した後、純水で洗浄し、表面活性処理を施した炭素材料を得た。
【００４８】
「炭素材料に金属吸着材を担持させる工程（工程Ｂ）」
表面活性処理を施した炭素材料と、純水に硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物を溶解した硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液とを混合し、懸濁液を調製する。
純水に溶解する硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物の量は、Ｆｅ換算で０．１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００４９】
次に、前記懸濁液に水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し、懸濁液を中和する。
水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、０．１ｍｏｌ／Ｌ以上１０ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。
【００５０】
その後、中和後の懸濁液を、６０℃にて、６時間以上７２時間以下熱処理を行う。
【００５１】
次に、懸濁液中の炭素材料をろ過した後、純水で洗浄し、１００℃にて、６時間以上３６時間以下乾燥して、オキシ水酸化鉄が担持された炭素材料（金属吸着材担持炭素材料）を得る。
【００５２】
［リチウムイオン二次電池用正極材料］
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被膜で被覆されたオリビン系正極活物質（以下、「炭素質被覆正極活物質」と言うことがある。）と、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料と、を含む。すなわち、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被覆正極活物質と本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料との混合物である。
【００５３】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料では、炭素質被覆正極活物質と金属吸着材担持炭素材料の混合比が質量比で１００：０．１〜１００：０．５であることが好ましく、１００：０．２〜１００：３であることがより好ましい。
【００５４】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料では、正極活物質の一次粒子と、金属吸着材担持炭素材料の一次粒子と、正極活物質の一次粒子およびナ金属吸着材担持炭素材料の一次粒子の少なくとも一方の表面、並びに二次粒子（正極活物質と金属吸着材担持炭素材料の混合物）の表面を被覆する炭素質被膜（熱分解炭素質被膜）と、を有する炭素質被覆正極活物質を含んでもよい。また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被覆正極活物質の一次粒子で造粒された造粒体を含む。
【００５５】
二次粒子の表面を被覆する炭素質被膜の厚さは、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ、ＥＤＸ）等を用いて測定される。
【００５６】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料では、正極活物質の一次粒子の表面を被覆する炭素質被膜の厚さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましい。一次粒子の表面を被覆する炭素質被膜の厚さが前記下限値以上であれば、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。一方、一次粒子の表面を被覆する炭素質被膜の厚さが前記上限値以下であれば、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。
【００５７】
正極活物質の一次粒子の表面を被覆する炭素質被膜の厚さは、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ、ＥＤＸ）等を用いて測定される。
【００５８】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被覆正極活物質の一次粒子の平均粒子径が、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、７０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であることがより好ましい。炭素質被覆正極活物質の平均一次粒子径が前記下限値以上であると、比表面積が大きくなり過ぎることによる、炭素量の増加を抑制することができる。一方、炭素質被覆正極活物質の平均一次粒子径が前記上限値以下であると、比表面積の大きさから電子伝導性とイオン拡散性が向上することができる。
【００５９】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料における炭素質被覆正極活物質の比表面積は、５ｍ２／ｇ以上２５ｍ２／ｇ以下であることが好ましく、７ｍ２／ｇ以上２０ｍ２／ｇ以下であることがより好ましい。炭素質被覆正極活物質の比表面積が前記下限値以上であれば、正極材料内のリチウムイオンの拡散速度を高くすることができ、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、炭素質被覆正極活物質の比表面積が前記上限値以下であれば、電子伝導性を高めることができる。
【００６０】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被覆正極活物質の一次粒子で造粒された造粒体の平均粒子径が、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、１．０μｍ以上１８μｍ以下であることがより好ましい。造粒体の平均粒子径が前記下限値以上であると、正極材料、導電助剤、バインダー樹脂（結着剤）および溶剤を混合して、リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストを調製する際の導電助剤および結着剤の配合量を抑えることができ、リチウムイオン二次電池用正極合剤層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大きくすることができる。一方、造粒体の平均粒子径が前記上限値以下であると、リチウムイオン二次電池用正極合剤層に含まれる導電助剤や結着剤の分散性、均一性を高めることができる。その結果、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を用いたリチウムイオン二次電池は、高速充放電における放電容量を大きくすることができる。
【００６１】
造粒体の平均粒子径は、ポリビニルピロリドン０．１質量％を水に溶解した分散媒に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を懸濁させて、レーザ回折式粒度分析装置を用いて測定される。
【００６２】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被覆正極活物質の一次粒子における炭素含有量が０．５質量％以上７質量％以下であることが好ましく、０．７質量％以上５質量％以下であることがより好ましい。炭素質被覆正極活物質の一次粒子における炭素含有量が前記下限値以上であれば、電子伝導性を充分に高めることができる。一方、炭素質被覆正極活物質の一次粒子における炭素含有量が前記上限値以下であれば、電極密度を高めることができる。
【００６３】
炭素質被覆正極活物質の一次粒子における炭素含有量は、炭素分析計（炭素硫黄分析装置：ＥＭＩＡ−８１０Ｗ（商品名）、堀場製作所社製）を用いて、測定される。
【００６４】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被覆正極活物質の一次粒子における炭素質被膜の被覆率が８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。炭素質被覆正極活物質の一次粒子における炭素質被膜の被覆率が８０％以上であれば、炭素質被覆の被覆効果が充分に得られる。
【００６５】
炭素質被覆正極活物質の一次粒子における炭素質被膜の被覆率は、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ、ＥＤＸ）等を用いて測定される。
【００６６】
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、上記の造粒体以外の成分を含んでいてもよい。造粒体以外の成分としては、例えば、バインダー樹脂からなる結着剤、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、ケッチェンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等の導電助剤等が挙げられる。
【００６７】
「オリビン系正極活物質」
オリビン系正極活物質は、一般式ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４（但し、ＡはＣｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＣｒからなる群から選択される少なくとも１種、ＤはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｃおよびＹからなる群から選択される少なくとも１種、０．９＜ｘ＜１．１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ＜１、０．９＜ｙ＋ｚ＜１．１）で表わされる化合物からなる。
【００６８】
ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４において、０．９＜ｘ＜１．１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ＜１、０．９＜ｙ＋ｚ＜１．１を満たす正極活物質であることが、高放電容量、高エネルギー密度の観点から好ましい。
【００６９】
Ａについては、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅが、Ｄは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌが、高い放電電位、高い安全性を実現可能な正極合剤層とすることができる点から好ましい。
【００７０】
オリビン系正極活物質の結晶子径が、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることがより好ましい。オリビン系正極活物質の結晶子径が３０ｎｍ未満であると、正極活物質の表面を熱分解炭素質被膜で充分に被覆するためには多くの炭素を必要とし、また、大量の結着剤が必要となるために、正極中の正極活物質量が低下し、電池の容量が低下することがある。同様に、結着力不足により炭素質被膜が剥離することがある。一方、オリビン系正極活物質の結晶子径が３００ｎｍを超えると、正極活物質の内部抵抗が大きくなり、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を低下させることがある。また、充放電を繰り返す際に、中間相を形成しやすく、そこから構成元素が溶出することで、容量が低下してしまう。
【００７１】
オリビン系正極活物質の結晶子径の算出方法としては、Ｘ線回折測定により測定した粉末Ｘ線回折図形をウィリアムソン−ホール法により解析することで、結晶子径を決定することが実行可能である。
【００７２】
「炭素質被膜」
炭素質被膜は、原料となる有機化合物が炭化することにより得られる熱分解炭素質被膜である。炭素質被膜の原料となる炭素源は、炭素の純度が４０．００％以上６０．００％以下の有機化合物由来であることが好ましい。
【００７３】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料における炭素質被膜の原料となる炭素源の「炭素の純度」の算出方法としては、複数種類の有機化合物を用いる場合、各有機化合物の配合量（質量％）と既知の炭素の純度（％）から、各有機化合物の配合量中の炭素量（質量％）を算出、合算し、その有機化合物の総配合量（質量％）と総炭素量（質量％）から、下記の式（１）に従って算出する方法が用いられる。
炭素の純度（％）＝総炭素量（質量％）／総配合量（質量％）×１００・・・（１）
【００７４】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料によれば、炭素質被覆正極活物質と本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料との混合物であるため、正極に用いた場合に、電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極材料から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができる。
【００７５】
［リチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法］
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法は特に限定されないが、例えば、ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４粒子と、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料と、有機化合物とを混合して分散処理して分散体を作製する工程と、この分散体を乾燥して乾燥体とする工程と、この乾燥体を非酸化性雰囲気下で焼成し、炭素質被覆電極活物質の一次粒子で造粒された造粒体を得る工程と、を有する方法が挙げられる。
【００７６】
ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４粒子は、特に限定されないが、例えば、Ｌｉ源、Ａ源、Ｄ源、およびＰＯ４源を、これらのモル比がｘ：ｙ＋ｚ＝１：１となるように水に投入し、撹拌してＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４の前駆体溶液とし、さらにこの前駆体溶液を１５℃以上７０℃以下の状態で１時間以上２０時間以下、撹拌混合し、水和前駆体溶液を作製し、この水和前駆体溶液を耐圧容器に入れ、高温、高圧下、例えば、１３０℃以上１９０℃以下、０．２ＭＰａ以上にて、１時間以上２０時間以下、水熱処理を行うことにより得られた粒子が好ましい。
この場合、水和前駆体溶液撹拌時の温度および時間と水熱処理時の温度、圧力および時間を調整することにより、ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４粒子の粒子径を所望の大きさに制御することが可能である。
【００７７】
この場合、Ｌｉ源としては、例えば、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）等のリチウム無機酸塩、酢酸リチウム（ＬｉＣＨ３ＣＯＯ）、蓚酸リチウム（（ＣＯＯＬｉ）２）等のリチウム有機酸塩の群から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。
これらの中でも、塩化リチウムと酢酸リチウムは、均一な溶液相が得られやすいため好ましい。
【００７８】
Ａ源としては、コバルト化合物からなるＣｏ源、マンガン化合物からなるＭｎ源、ニッケル化合物からなるＮｉ源、鉄化合物からなるＦｅ源、銅化合物からなるＣｕ源、および、クロム化合物からなるＣｒ源からなる群から選択される少なくとも１種が好ましい。
また、Ｄ源としては、マグネシウム化合物からなるＭｇ源、カルシウム化合物からなるＣａ源、ストロンチウム化合物からなるＳｒ源、バリウム化合物からなるＢａ源、チタン化合物からなるＴｉ源、亜鉛化合物からなるＺｎ源、ホウ素化合物からなるＢ源、アルミニウム化合物からなるＡｌ源、ガリウム化合物からなるＧａ源、インジウム化合物からなるＩｎ源、ケイ素化合物からなるＳｉ源、ゲルマニウム化合物からなるＧｅ源、スカンジウムム化合物からなるＳｃ源、および、イットリウム化合物からなるＹ源からなる群から選択される少なくとも１種が好ましい。
【００７９】
ＰＯ４源としては、例えば、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）、メタリン酸（ＨＰＯ３）等のリン酸、リン酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、リン酸水素二アンモニウム（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４）、リン酸アンモニウム（（ＮＨ４）３ＰＯ４）、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）、リン酸水素二リチウム（Ｌｉ２ＨＰＯ４）、リン酸二水素リチウム（ＬｉＨ２ＰＯ４）およびこれらの水和物の中から選択される少なくとも１種が好ましい。
特に、オルトリン酸は、均一な溶液相を形成しやすいので好ましい。
【００８０】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法では、ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４粒子と本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の混合比が質量比で１００：０．１〜１００：５であることが好ましく、１００：０．２〜１００：３であることがより好ましい。
【００８１】
有機化合物としては、例えば、ポリビニルアルコール、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、ポリアクリル酸、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、多価アルコール等が挙げられる。
多価アルコールとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリグリセリン、グリセリン等が挙げられる。
【００８２】
有機化合物は、有機化合物中の炭素が、ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４粒子もしくはＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４粒子と金属吸着材担持炭素材料の合計質量を１００質量部とした場合、その１００質量部に対して１質量部以上１０質量部以下となるように混合すればよい。
【００８３】
次いで、得られた混合液を分散して分散体とする。
分散方法は、特に限定されないが、ＬｉｘＡｙＤｚＰＯ４粒子と金属吸着材担持炭素材料の凝集状態をほぐすことができる装置を用いることが好ましい。このような分散装置としては、例えば、ボールミル、サンドミル、プラネタリー（遊星式）ミキサー等が挙げられる。特に連続式の分散装置を用いることで、分散処理中にサンプリングすることが可能となり、スパン値による終点判断が容易となる。
【００８４】
次いで、上記の分散体を乾燥して乾燥体とする。
本工程では、分散体から溶媒（水）を散逸させることができれば乾燥方法は特に限定されない。
なお、凝集粒子を作製する場合には、噴霧乾燥法を用いて乾燥すればよい。例えば、分散体を１００℃以上３００℃以下の高温雰囲気中に噴霧し、乾燥させ、粒子状乾燥体または造粒状乾燥体とする方法が挙げられる。
【００８５】
次いで、上記乾燥体を、非酸化性雰囲気下、７００℃以上１０００℃以下、好ましくは８００℃以上９００℃以下の範囲内の温度にて焼成する。
この非酸化性雰囲気としては、窒素（Ｎ２）、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）等の還元性ガスを含む還元性雰囲気が好ましい。
【００８６】
ここで、乾燥体の焼成温度を７００℃以上１０００℃以下とした理由は、焼成温度が７００℃未満では、乾燥体に含まれる有機化合物の分解・反応が充分に進行せず、有機化合物の炭化が不充分なものとなり、生成する分解・反応物が高抵抗の有機物分解物となるので好ましくないからである。一方、焼成温度が１０００℃を超えると、乾燥体を構成する成分、例えば、リチウム（Ｌｉ）が蒸発して組成にずれが生じるだけでなく、この乾燥体にて粒成長が促進し、高速充放電レートにおける放電容量が低くなり、充分な充放電レート性能を実現することが困難となる。また、不純物が生成され、この不純物が由来となり充放電を繰り返した際に容量の劣化を起こす。
【００８７】
焼成時間は、有機化合物が充分に炭化される時間であればよく、特に制限されないが、０．１時間以上１０時間以下とする。
【００８８】
この焼成により、炭素質被覆電極活物質の一次粒子で造粒された造粒体が得られる。得られた造粒体が、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料である。
【００８９】
［リチウムイオン二次電池用正極］
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極は、電極集電体と、その電極集電体上に形成された正極合剤層（電極）と、を備え、正極合剤層が、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を含有するものである。
すなわち、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を用いて、電極集電体の一主面に正極合剤層が形成されてなるものである。
【００９０】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極の製造方法は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を用いて、電極集電体の一主面に正極合剤層を形成できる方法であれば特に限定されない。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極の製造方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
まず、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料と、結着剤と、導電助剤と、溶媒とを混合してなる、リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストを調製する。
【００９１】
「結着剤」
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、フッ素ゴム等が好適に用いられる。
【００９２】
リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストにおける結着剤の含有率は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料と結着剤と導電助剤の合計質量を１００質量％とした場合に、１質量％以上１０質量％以下であることが好ましく、２質量％以上６質量％以下であることがより好ましい。
【００９３】
「導電助剤」
導電助剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素の群から選択される少なくとも１種が用いられる。
【００９４】
リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストにおける導電助剤の含有率は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料と結着剤と導電助剤の合計質量を１００質量％とした場合に、１質量％以上１５質量％以下であることが好ましく、３質量％以上１０質量％以下であることがより好ましい。
【００９５】
「溶媒」
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を含むリチウムイオン二次電池用正極材料ペーストでは、電極集電体等の被塗布物に対して塗布し易くするために、溶媒を適宜添加してもよい。
リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストに用いる溶媒としては、バインダー樹脂の性質に合わせて適宜選択すればよい。
溶媒としては、例えば、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、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種のみを用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００９６】
リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストにおける溶媒の含有率は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料と結着剤と溶媒の合計質量を１００質量部とした場合に、６０質量部以上４００質量部以下であることが好ましく、８０質量部以上３００質量部以下であることがより好ましい。
上記の範囲で溶媒が含有されることにより、電極形成性に優れ、かつ電池特性に優れた、リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストを得ることができる。
【００９７】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料と、結着剤と、導電助剤と、溶媒とを混合する方法としては、これらの成分を均一に混合できる方法であれば特に限定されない。例えば、ボールミル、サンドミル、プラネタリー（遊星式）ミキサー、ペイントシェーカー、ホモジナイザー等の混錬機を用いた方法が挙げられる。
【００９８】
次いで、リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストを、電極集電体の一主面に塗布して塗膜とし、この塗膜を乾燥し、次いで、加圧圧着することにより、電極集電体の一主面に正極合剤層が形成されたリチウムイオン二次電池用正極を得ることができる。
【００９９】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極によれば、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を含有しているため、電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができる。
【０１００】
［リチウムイオン二次電池］
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、非水電解質と、を備え、正極として、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極を備える。
【０１０１】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池では、負極、非水電解質、セパレータ等は特に限定されない。
負極としては、例えば、金属Ｌｉ、炭素材料、Ｌｉ合金、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等の負極材料を用いることができる。
また、非水電解質とセパレータの代わりに、固体電解質を用いてもよい。
【０１０２】
非水電解質は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを、体積比で１：１となるように混合し、得られた混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を、例えば、濃度１モル／ｄｍ３となるように溶解することで作製することができる。
セパレータとしては、例えば、多孔質プロピレンを用いることができる。
【０１０３】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池では、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極を備えるため、電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができる。
【実施例】
【０１０４】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０１０５】
［実施例１］
「金属吸着材担持炭素材料の作製」
（炭素材料の表面活性処理）
硫酸２０ｍＬに硝酸１０ｍＬをゆっくりと加え、これらの混合物を室温（２５℃）まで冷却した後、その混合物に過マンガン酸カリウム３ｇを溶解し、表面処理液を得た。
表面処理液１２０ｇに導電性カーボンブラック粒子（平均一次粒子径：４８ｎｍ、商品名：デンカブラック  ＨＳ−１００、デンカ社製）１２ｇを浸漬し、室温（２５℃）にて３時間保持した。
その後、カーボンブラック粒子を含む表面処理液１３２ｇに純水１００ｇを追加し、３時間保持した。
さらに、表面処理液が透明になり、気泡が発生しなくなるまで、表面処理液に過酸化水素水を添加した。
気泡が発生しなくなった後、表面処理液中のカーボンブラック粒子をろ過し、回収したカーボンブラック粒子を純水で洗浄した。
次に、洗浄後のカーボンブラック粒子を、０．１ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム水溶液に水酸化ホウ素ナトリウム０．５ｇを溶解した水溶液に浸漬し、９０℃にて３時間熱処理を行った。
次に、水溶液中のカーボンブラック粒子をろ過した後、純水で洗浄し、表面活性処理を施したカーボンブラック粒子を得た。
【０１０６】
（炭素材料への金属吸着材の担持）
表面活性処理を施したカーボンブラック粒子１２ｇと、純水に硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物を溶解した硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液とを混合し、懸濁液を調製した。純水に溶解する硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物の量を、Ｆｅ換算で０．１ｍｏｌ％とした。
次に、懸濁液に水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し、懸濁液を中和した。水酸化ナトリウム水溶液の濃度を５ｍｏｌ／Ｌとした。
その後、中和後の懸濁液を６０℃にて７２時間熱処理を行った。
次に、懸濁液中のカーボンブラック粒子をろ過した後、回収したカーボンブラック粒子を純水で洗浄し、１００℃にて、１２時間乾燥して、オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンブラック粒子を得た。
【０１０７】
「炭素質被覆正極活物質の作製」
Ｌｉ源としてＬｉＯＨ、Ｐ源としてＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、Ｆｅ源としてＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏを用い、Ｌｉ、ＦｅおよびＰのモル比がＬｉ：Ｆｅ：Ｐ＝３：１：１となるように、Ｌｉ源、Ｐ源およびＦｅ源を純水に混合して、２００ｍＬの均一なスラリー状の混合物を調製した。
次いで、この混合物を耐圧容器に入れた。
その後、この混合物について、１７０℃にて１２時間、加熱反応を行い、水熱合成を行った。このときの耐圧容器内の圧力は１．３ＭＰａであった。
反応後、耐熱容器内の雰囲気が室温（２５℃）になるまで冷却して、ケーキ状態の反応生成物の沈殿物を得た。
この沈殿物を蒸留水で複数回、充分に水洗し、乾燥しないように含水率３０％に保持し、ケーキ状物質とした。
このケーキ状物質を７０℃にて２時間真空乾燥させて、得られた粉末をＸ線回折で分析した結果、単相のＬｉＦｅＰＯ４が形成されていることが確認された。
【０１０８】
得られたＬｉＦｅＰＯ４（正極活物質）２０ｇと、炭素源としてスクロース０．７３ｇとを総量で１００ｇとなるように純水に混合し、直径０．１ｍｍのジルコニアビーズ１５０ｇと共に、ビーズミルを行い、分散粒径（ｄ５０）が１００ｎｍのスラリー（混合物）を調製した。
次に、スプレードライヤーを用いて、乾燥出口温度が６０℃となる温度で、混合物を乾燥し、造粒粉を得た。
次に、管状炉を用いて、造粒粉を７５０℃にて２時間熱処理を行い、炭素質被覆正極活物質を得た。
【０１０９】
「リチウムイオン二次電池の作製」
実施例および比較例で得られた炭素質被覆正極活物質と、導電助材としてアセチレンブラック（ＡＢ）と、結着材としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを、電極材料：ＡＢ：ＰＶｄＦ＝９０：５：５の質量比で、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）に混合し、正極材料ペーストとした。
得られたペーストを、厚さ３０μｍのアルミニウム箔上に塗布、乾燥後、所定の密度となるように圧着して電極板とした。
得られた電極板を３×３ｃｍ２（塗布面）＋タブしろの板状に打ち抜き、タブを溶接して試験電極を作製した。
一方、対極には同様に天然黒鉛を塗布した塗布電極を用いた。
セパレータとしては、多孔質ポリプロピレン膜を採用した。
また、非水電解液（非水電解質溶液）として１ｍｏｌ／Ｌのヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）溶液を用いた。なお、このＬｉＰＦ６溶液に用いられる溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルを体積％で１：１に混合し、添加剤として炭酸ビニレン２％を加えたものを用いた。
以上のようにして作製した試験電極、対極および非水電解液を用いて、ラミネート型のセルを作製し、実施例および比較例の電池とした。
【０１１０】
［実施例２］
純水に溶解する硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物の量をＦｅ換算で１０ｍｏｌ％とした硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液を用いて、懸濁液を調製したこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１１】
［実施例３］
表面活性処理を施したカーボンナノチューブ（直径：８ｎｍ未満、長さ：５μｍ〜２０μｍ、商品名：０５５０ＣＡ−ＯＨ、コアフロント社製）１２ｇと、純水に硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物を溶解した硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液とを混合し、懸濁液を調製した。純水に溶解する硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物の量を、Ｆｅ換算で０．１ｍｏｌ％とした。
次に、懸濁液に水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し、懸濁液を中和した。水酸化ナトリウム水溶液の濃度を５ｍｏｌ／Ｌとした。
その後、中和後の懸濁液を６０℃にて７２時間熱処理を行った。
次に、懸濁液中のカーボンナノチューブをろ過した後、回収したカーボンナノチューブを純水で洗浄し、１００℃にて、１２時間乾燥して、オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンナノチューブを得た。
得られたオキシ水酸化鉄が担持されたカーボンナノチューブの添加量を、導電性炭素１００質量部に対して、３０質量部としたこと以外は、実施例１と同様にして、実施例３のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１２】
［実施例４］
純水に溶解する硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物の量をＦｅ換算で５ｍｏｌ％とした硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液を用いて、懸濁液を調製したこと以外は、実施例３と同様にして、実施例４のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１３】
［実施例５］
表面活性処理を施した活性炭（直径（メッシュ）：３μｍ以下、商品名：ＵＣＧ−ＣＰＳ、ユーイーエス社製）１２ｇと、純水に硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物を溶解した硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液とを混合し、懸濁液を調製した。純水に溶解する硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物の量を、Ｆｅ換算で０．１ｍｏｌ％とした。
次に、懸濁液に水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し、懸濁液を中和した。水酸化ナトリウム水溶液の濃度を５ｍｏｌ／Ｌとした。
その後、中和後の懸濁液を６０℃にて７２時間熱処理を行った。
次に、懸濁液中の活性炭をろ過した後、回収した活性炭を純水で洗浄し、１００℃にて、１２時間乾燥して、オキシ水酸化鉄が担持された活性炭を得た。
得られたオキシ水酸化鉄が担持された活性炭の添加量を、導電性炭素１００質量部に対して、３０質量部としたこと以外は、実施例１と同様にして、実施例５のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１４】
［実施例６］
純水に溶解する硝酸鉄（ＩＩＩ）・九水和物の量をＦｅ換算で３ｍｏｌ％とした硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液を用いて、懸濁液を調製したこと以外は、実施例５と同様にして、実施例６のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１５】
［実施例７］
オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンブラック粒子の添加量を、導電性炭素１００質量部に対して、５０質量部としたこと以外は、実施例１と同様にして、実施例７のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１６】
［実施例８］
オキシ水酸化鉄が担持された活性炭の添加量を、導電性炭素１００質量部に対して、１０質量部としたこと以外は、実施例５と同様にして、実施例８のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１７】
［比較例］
オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンブラック粒子を添加しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、比較例のリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１１８】
［リチウムイオン二次電池の評価］
実施例１〜実施例８および比較例で得られたリチウムイオン二次電池について、下記の方法にて、サイクル試験による容量維持率を測定した。
カットオフ電圧を、２．５Ｖ−３．７Ｖ（ｖｓカーボン負極）とした。
環境温度２５℃にて、充電電流を２Ｃ、放電電流を２Ｃとして、定電流充放電により放電容量を測定し、測定された値を初期放電容量とした。
その後、環境温度を４５℃に設定し、充電電流を２Ｃ、放電電流を２Ｃとして定電流充放電を６００回行い、その後、再度、環境温度２５℃にて、充電電流を２Ｃ、放電電流を２Ｃとして、定電流充放電により放電容量を測定し、サイクル後の放電容量を得た。
サイクル試験容量維持率（％）＝（サイクル後の放電容量）／（初期放電容量）×１００として、サイクル試験による容量維持率を算出した。
６００回の定電流充放電後の容量維持率が７５％以上の場合を「良好」、７４％以下の場合を「不良」と判定した。
結果を表１に示す。
【０１１９】
【表１】
0006930641.tif 000002
【０１２０】
表１の結果から、オキシ水酸化鉄が担持された炭素材料（カーボンブラック粒子、カーボンナノチューブ、活性炭）を含む正極材料を用いて作製された正極を備える実施例１〜実施例８のリチウムイオン二次電池は、６００回の定電流充放電後の容量維持率が７５％以上であることが分かった。
一方、オキシ水酸化鉄が担持された炭素材料を含まない正極材料を用いて作製された正極を備える比較例のリチウムイオン二次電池は、６００回の定電流充放電後の容量維持率が６５％であり、不良であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明の金属吸着材担持炭素材料は、炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含むため、電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極材料から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができ、より高電圧、高エネルギー密度、高負荷特性および高速充放電特性が期待される次世代の二次電池に対しても適用することが可能であり、次世代の二次電池の場合、その効果は非常に大きなものである。
【要約】
【課題】電子およびリチウムイオンの移動を妨げることなく、正極材料から溶出する鉄イオンが負極表面に析出することを抑制することができる金属吸着材担持炭素材料、金属吸着材担持炭素材料を含むリチウムイオン二次電池用正極材料、リチウムイオン二次電池用正極材料を含むリチウムイオン二次電池用正極、およびリチウムイオン二次電池用正極を備えるリチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】本発明の金属吸着材担持炭素材料は、炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含む。前記炭素材料が、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよび活性炭からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。前記金属吸着材が、オキシ水酸化鉄であることが好ましい。
【選択図】なし