(57)【要約】  本発明は、１以上のリチウム含有化合物と硫黄とを加熱するステップを具える硫化リチウムを生成するための便利な方法を提供し、加熱するステップは６００ないし１５００℃の温度で行われる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫化リチウムを生成する方法であって：１以上のリチウム含有化合物と硫黄とを一緒に加熱するステップを具え；当該加熱するステップが６００ないし１５００℃の温度で行われ；更に、前記リチウム含有化合物が、酸化リチウム、炭酸リチウム、無水水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物、シュウ酸リチウム、硝酸リチウム、及び前記加熱するステップ中にこれらのリチウム含有化合物のいずれかに対する前駆物質となる任意の物質のうちの１以上から選択される；ことを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の硫化リチウムを生成する方法において、反応が非酸化性雰囲気及び／又は還元条件の下で行われることを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項３】
請求項２に記載の硫化リチウムを生成する方法において、前記還元条件が１以上の還元ガス及び／又は１以上の還元剤によって提供されることを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項４】
請求項３に記載の硫化リチウムを生成する方法において：前記１以上の還元ガスが一酸化炭素、水素、改質ガス（水素及び窒素の混合物）、硫化水素、メタン、及び他の気体状のアルカンから選択され；前記１以上の還元剤が炭素、及び加熱時に炭素源を供給するのに好適な任意の炭質から選択される；ことを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の硫化リチウムを生成する方法において、前記硫黄が硫黄華、黄鉄鉱、硫化コバルト、及び熱分解時に硫黄を生成するその他の物質のうちの１以上から得られることを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項６】
硫化リチウムを生成する方法であって：１以上のリチウム含有化合物と黄鉄鉱とを一緒に加熱するステップを具え；当該加熱するステップが６００ないし１５００℃の温度で行われ；更に、前記リチウム含有化合物が、酸化リチウム、炭酸リチウム、無水水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物、シュウ酸リチウム、硝酸リチウム、及び前記加熱するステップ中にこれらのリチウム含有化合物のいずれかに対する前駆物質になる任意の物質のうちの１以上から選択される；ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法が、総量で出発物質の１ないし５重量パーセントの１以上の鉱化剤を添加するステップを更に具えることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記鉱化剤がアルカリ金属のハロゲン化物を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硫化リチウムの調製に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は陰極（負極）、陽極（正極）、及び電解質材料を含む二次電池である。リチウムイオン電池は陰極と陽極との間のリチウムイオンの移動によって動作し、リチウム電池が金属リチウムを含むことによって特徴づけられているのと混乱すべきではない。リチウムイオン電池は現行で最も通常に用いられている蓄電池の型であり、一般的には陰極は挿入式の材料、例えばコークス又はグラファイトの形態の炭素を含む。電気活性のある結合は挿入式のリチウム含有材料を含む陽極を用いて形成される。一般的には、挿入式のリチウム含有材料はコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、及びマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）である。初期状態においては、この型式の電池は充電されておらず、従って電気化学的エネルギーを送達するためには、電池を充電して、リチウムを含む陽極から陰極にリチウムを移動させなければならない。放電時に、リチウムイオンは陰極から移動して陽極に戻る。以降の充電及び放電動作によって、電池の寿命期間にわたってリチウムイオンは陽極と陰極との間を往復移動する。リチウム蓄電池の近年の開発及び有望な利点の概説は「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ２００７．０６．１５４」でＴｓｕｔｏｍｕ  ＯｈｚｕｋｕとＲａｌｐｈ  Ｂｒｏｄｄとによって提供されている。
【０００３】
残念なことに、コバルト酸リチウムは比較的高価な材料であり、ニッケル化合物は合成するのが困難である。それだけでなく、コバルト酸リチウム及びニッケル酸リチウムから生成される陽極は電池の充電容量が有意に理論上の容量未満であるという弱点がある。この理由は１未満の原子単位のリチウムが電気化学的反応に関与するからである。加えて、初期容量は初期の充電動作中に減少し、更に各々の充電サイクル中に減少する。従来技術の米国特許第４，８２８，８３４号は、主にＬｉＭｎ２Ｏ４からなる陽極の使用を通して容量の喪失を制御することを目的とする。一方、米国特許第５，９１０，３８２号は、ＬｉＭＰＯ４といったリチウムを混合した金属材料を用いた別のアプローチについて記載しており、Ｍは少なくとも１の第１段の遷移金属である。好適な化合物はＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、及びＬｉＮｉＰＯ４、ならびにＬｉ１−２ｘＦｅ１−ｘＴｉｘＰＯ４又はＬｉ１−２ｘＦｅ１−ｘＭｎｘＰＯ４といった混合した遷移金属化合物を含み、０＜ｘ＜１である。
【０００４】
リチウムイオン蓄電池の使用は、特にコバルト酸リチウムの場合にリチウム電極の材料を提供する高額なコストによって制限される。従って、現行の商業化はポータブルコンピュータや携帯電話といった高価な用途に限定されている。しかしながら、更に広範な市場、例えば電気車両の動力に利用されることが高く所望され、研究は近年、リチウムイオン電池の性能の高さを維持すると同時に、生成が非常に廉価な材料を生成するように進行中である。この目的を達成するために、硫化物は陽極材料として酸化物の代わりに用いられうることが、例えば、日本国の特開平１０−２０８７８２号公報や、「Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｏｎｉｃｓ  １１７（１９９９）２７３−２７６」に示唆されている。多くの硫化物の使用は対応する酸化物のリチウムに対して測定された電圧に達しないが、１ｇあたりのミリアンペアアワーで測定されたいくつかの硫化物による陽極の容量は約３倍ほど大きかった。これによると、いくつかの硫化物による陽極は、リチウム金属の陰極に対して測定された電池の陽極エネルギー密度の点で、酸化物の対応物と比較して全体で約１．５倍の利点を達成し、このことによってこれらの硫化物の利用は非常に魅力的な課題となった。例えば、硫化鉄リチウムの場合においては、４００ｍＡｈｇ−１の理論上の容量はリチウム金属の陰極に対する２．２Ｖの平均動作電圧とともに取得できる。
【０００５】
従って、リチウムを含む遷移金属の硫化物は、上述の金属酸化物のリチウムに替わる便利な材料であり、特許文献、例えば米国特許第７，０１８，６０３号に既に記載されている硫化鉄リチウムとともに、二次電池の有用な陽極材料となりうる。リチウムを含む遷移金属の硫化物の商業化は生成物のコストに大きく依存する。硫化鉄リチウムを特定の実施例とした場合、この物質を生成する従来のプロセスは、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）及び硫化鉄（ＩＩ）（ＦｅＳ）が一緒に密接混合され、約８００℃の温度で不活性雰囲気の下で加熱される固体状態の反応を介している。出発物質である硫化鉄（ＩＩ）（ＦｅＳ）及び二硫化鉄（ＦｅＳ２）は天然物質として発見され、地中から採掘されるので比較的廉価である。しかしながら、その反応プロセスの顕著な弱点は他の出発物質であるＬｉ２Ｓは高価ではないが、感湿性が高いことである。特に後者の問題は、特に大規模な商業上の生産に関して出発物質を保管及び処理する複雑性ひいてはコストと明確に関連する。更に、この反応の動力学は米国特許第７，０１８，６０３号に非常に緩速であると報告されており、明らかに反応を完了させるのに最大１ヶ月かかりうる。従って、この経路はエネルギーコストの面で不都合性が高いと考えられ、電極材料の生成については商業上実行不可能である。
【０００６】
リチウムを含む遷移金属の硫化物を生成するための代替的な経路として、米国特許第７，０１８，６０３号は、高温（４５０℃ないし７００℃の温度が例示されている）で、溶融塩又は溶融塩の混合物を含む反応媒体中で、ＦｅＳなどの遷移金属の硫化物を硫化リチウムと反応させることを開示している。好適な溶融塩はハロゲン化リチウムである。この反応は良好な速度で進行するが、理想を下回るいくつかの更なる問題がある。第１に、Ｌｉ２Ｓを出発物質として用いるという事実によって、上述の処理及び保管の問題が生じる。第２に、反応媒体（１．５モルを超えて用いられる溶融したハロゲン化リチウム）を溶剤抽出以外によって所望の反応生成物から分離することは非常に困難であり、この型の抽出法は高価である。更に、反応媒体の８％程度の正確な精製後であっても、塩は反応生成物中に存在し、この不純物濃度が硫化鉄リチウム１ｇあたりの充電容量に弊害を与える。
【０００７】
硫化リチウムを生成する出費を前提として、簡易で、エネルギー効率が良く、不純物のない生成物を生成する、生成のための代替的な経路を更に見つけることが非常に所望されている。
【０００８】
従って、本発明は１以上のリチウム含有化合物と硫黄とを一緒に加熱するステップを具える硫化リチウムを生成する方法を提供し、加熱するステップは６００ないし１５００℃の温度で行われ、更に、リチウム含有化合物は酸化リチウム、炭酸リチウム、無水水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物、シュウ酸リチウム、硝酸リチウム、及び加熱するステップ中にこれらのリチウム含有化合物のいずれかに対する前駆物質になる任意の物質のうちの１以上から選択される。
【０００９】
加熱するステップの温度は反応混合物から硫黄が失われるほど高くすべきではないが、１以上のリチウム含有化合物との反応が十分に生じる程度には高くすべきである。好適な温度は６５０℃ないしリチウム含有化合物の熱分解温度の範囲である。反応時間は反応温度によって変わり、予期されうるように、温度が高くなると反応が速くなる。
【００１０】
好適には、本発明の方法は非酸化性雰囲気及び／又は還元条件の下で行われ、更に好適には、還元条件は１以上の還元ガス及び／又は１以上の還元剤によって提供される。１以上の還元ガスは、一酸化炭素、水素、改質ガス（水素及び窒素の混合物）、硫化水素、メタン、及び他の気体状のアルカンから選択してもよく、１以上の還元剤は炭素、及び加熱時に炭素源を供給するのに好適な任意の炭質から選択してもよい。カーボンブラックは好適な炭素源である。
【００１１】
本発明で用いられる硫黄は、硫黄華、黄鉄鉱（ＦｅＳ２）、硫化コバルト（ＣｏＳ２）、及び熱分解時に硫黄を生成するその他の物質から生成し、得てもよい。
【００１２】
第２の実施形態においては、本発明は、１以上のリチウム含有化合物と黄鉄鉱とを一緒に加熱するステップを具える硫化リチウムを生成する方法を提供し、加熱するステップは５００ないし１５００℃の温度で行われ、更に、リチウム含有化合物は、酸化リチウム、炭酸リチウム、無水水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物、シュウ酸リチウム、硝酸リチウム、及び加熱するステップ中にこれらのリチウム含有化合物のいずれかに対する前駆物質になる任意の物質から選択される。
【００１３】
好適な反応容器は、脱離可能に装着される蓋部を一般的に有するガラス状炭素又はグラファイトのるつぼを具えるが、密封式の加圧容器を更に用いてもよい。商業規模の生産については、連続的なプロセス、例えば管型の回転炉を用いるのが都合良いが、バッチ式レトルトプロセスを更に用いてもよい。
【００１４】
本発明の反応で用いられるリチウム含有化合物は好適には、反応プロセス中に固体状態であり、このことは反応が溶剤といった反応媒体を用いることなく好適に行われることを示している。都合の良いことに、反応物は、最初にボールミルを用いて粉砕されて、直接的に用いるか、あるいはまずペレット状にプレス成形するかのいずれかができる微粉を生成する固体材料である。
【００１５】
形成される不純物の量を低減し、かつ反応条件を最適化するために、鉱化剤としても知られる融剤を反応混合物に添加することが都合がよいことを見出した。融剤又は鉱化剤は反応温度を低下させ、反応時間を短くするためにセラミック産業で一般的に用いられている。塩化ナトリウム、ホウ砂、塩化リチウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、ホウ酸リチウム、及び炭酸ナトリウムといった鉱化剤は既知である。本出願は微量の鉱化剤を用いることを見出した。任意のアルカリ金属のハロゲン化物を用いてもよいが、塩化リチウム及びヨウ化リチウムが最も好適である。代替的には、炭酸ナトリウム又は塩化ナトリウムを用いてもよい。本発明で有益であると見なされる鉱化剤の量は出発物質の１ないし５重量パーセント、好適には１ないし３重量パーセント、更に好適には出発物質の１重量パーセントである。
【００１６】
本発明の方法を用いた固体状態での硫化リチウムの調製は、遷移金属の硫化物のリチウムを調製するのに特に都合がよい。所望の遷移金属の硫化物を反応混合物に添加し、次いで６００℃ないし１５００℃、好適には７００℃ないし１０００℃の範囲の温度で加熱する前に、本発明の方法によって形成される硫化リチウムを分離する必要はない。上述の先行技術の方法とは異なり、遷移金属の硫化物のリチウムを生成するこのプロセスは溶剤を用いず、それによって、反応プロセスの最後に溶剤を除去することに関する問題は明らかに回避される。
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月27日(2011.6.27)
【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】
固体状態で硫化リチウムを生成する方法であって：１以上のリチウム含有化合物と硫黄とを一緒に加熱するステップを具え；当該加熱するステップが６００ないし１５００℃の温度で行われ；前記リチウム含有化合物が、酸化リチウム、炭酸リチウム、無水水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物、シュウ酸リチウム、硝酸リチウム、及び前記加熱するステップ中にこれらのリチウム含有化合物のいずれかに対する前駆物質となる任意の物質のうちの１以上から選択され；更に、前記硫黄が硫黄華、黄鉄鉱、硫化コバルト、及び前記加熱するステップ中の熱分解時に硫黄を生成する任意の物質から得られ；更に、反応が非酸化性雰囲気及び／又は還元条件の下で行われる；ことを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の硫化リチウムを生成する方法において、前記還元条件が１以上の還元ガス及び／又は１以上の還元剤によって提供されることを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項３】
請求項２に記載の硫化リチウムを生成する方法において：前記１以上の還元ガスが一酸化炭素、水素、改質ガス（水素及び窒素の混合物）、硫化水素、メタン、及び他の気体状のアルカンから選択され；前記１以上の還元剤が炭素、及び加熱時に炭素源を供給するのに好適な任意の炭質から選択される；ことを特徴とする、硫化リチウムを生成する方法。
【請求項４】
硫化リチウムを生成する方法であって：１以上のリチウム含有化合物と黄鉄鉱とを一緒に加熱するステップを具え；当該加熱するステップが６００ないし１５００℃の温度で行われ；更に、前記リチウム含有化合物が、酸化リチウム、炭酸リチウム、無水水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物、シュウ酸リチウム、硝酸リチウム、及び前記加熱するステップ中にこれらのリチウム含有化合物のいずれかに対する前駆物質になる任意の物質のうちの１以上から選択される；ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法が、総量で出発物質の１ないし５重量パーセントの１以上の鉱化剤を添加するステップを更に具えることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記鉱化剤がアルカリ金属のハロゲン化物を含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2012505142.tif 000002
2012505142.tif 000003