JP2000058055A - リチウム二次電池用正極材料 - Google Patents

リチウム二次電池用正極材料

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 充電時のマンガン溶出量を抑制し、高温保存
性、高温サイクル特性等の高温での電池特性を向上させ
たリチウム二次電池用正極材料を提供する。 【解決手段】 配位子を供給可能な有機化合物でマンガ
ン酸リチウムの表面を被覆したことを特徴とするリチウ
ム二次電池用正極材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はリチウム二次電池用
正極材料に関し、詳しくは電解液との反応性を抑制し、
マンガンの溶出量を抑制し、高温保存性、高温サイクル
特性等の電池の高温特性を向上させたリチウム二次電池
用正極材料に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年の
パソコンや電話等のポータブル化、コードレス化の急速
な進歩によりそれらの駆動用電源としての二次電池の需
要が高まっている。その中でもリチウム二次電池は最も
小型かつ高エネルギー密度を持つため特に期待されてい
る。上記の要望を満たすリチウム二次電池の正極材料と
してはコバルト酸リチウム(LiCoO2 )、ニッケル
酸リチウム(LiNiO2 )、マンガン酸リチウム(L
iMn2 4 )等がある。これらの複合酸化物はリチウ
ムに対し4V以上の電位を有していることから、高エネ
ルギー密度を有する電池となり得る。
【0003】上記の複合酸化物のうちLiCoO2 、L
iNiO2 は、理論容量が280mAh/g程度である
のに対し、LiMn2 4 は148mAh/gと小さい
が、原料となるマンガン酸化物が豊富で安価であること
や、LiNiO2 のような充電時の熱的不安定性が無い
ことから、EV用途等に適していると考えられている。
【0004】しかしながら、このマンガン酸リチウム
(LiMn2 4 )は、高温においてマンガンが溶出す
るため、高温保存性、高温サイクル特性等の高温での電
池特性に劣るという問題がある。このことが、マンガン
酸リチウムをリチウム二次電池の正極材料として実用化
するための大きな問題となっている。
【0005】このことは、高温でマンガンが有機電解液
中に溶出し、溶出したマンガンが負極やセパレーターに
析出して電池反応を阻害するためといわれている。その
ために、マンガン酸リチウムからのマンガンの溶出を抑
制することが、高温保存性、高温サイクル特性を向上す
るために必要であった。
【0006】このために、無機化合物によってマンガン
酸リチウムの表面を被覆することが報告されている。こ
れは、水溶液反応によりマンガン酸リチウム上にニッケ
ル又はコバルトの水酸化物又は酸化物を析出してマンガ
ン酸リチウムを被覆する方法である。しかし、この方法
では製造工程が複雑になるばかりでなく、水溶液中で処
理することによるマンガン酸リチウムのダメージが懸念
される。
【0007】従って、本発明の目的は、充電時のマンガ
ン溶出量を抑制し、高温保存性、高温サイクル特性等の
高温での電池特性を向上させたリチウム二次電池用正極
材料を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
【0009】本発明者らは、マンガン酸リチウムの表面
に、特定の有機化合物を化学的又は物理的に被覆するこ
とにより、上記目的を達成し得ることを知見した。
【0010】本発明は、上記知見に基づきなされたもの
で、配位子を供給可能な有機化合物でマンガン酸リチウ
ムの表面を化学的又は物理的に被覆したことを特徴とす
るリチウム二次電池用正極材料を提供するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のリチウム二次電池用正極材料は、配位子を供給
可能な有機化合物でマンガン酸リチウム(LiMn2
4)の表面を化学的又は物理的に被覆するものである。
【0012】このマンガン酸リチウムの製造に用いられ
るリチウム原料としては、炭酸リチウム(Li2
3 )、硝酸リチウム(LiNO3 )、水酸化リチウム
(LiOH)等が挙げられる。また、マンガン原料とし
ては、二酸化マンガン(MnO2)、三酸化二マンガン
(Mn2 3 )、オキシ水酸化マンガン(MnOOH)
等が使用できる。マンガン原料としてはMnO2 が特に
好適に使用できる。その理由としては、MnO2 はリチ
ウムの一次電池用正極材料として利用されており、リチ
ウムを構造内に取り込みやすいことや、特に電解MnO
2 ではタップ密度を大きくしやすいことが挙げられる。
なお、マンガン原料として二酸化マンガンを用いた場合
に、リチウム原料として水酸化リチウムを用いると、ロ
ータリーキルン焼成の場合には、炉心管への付着が激し
く実用上問題があり、また、こうして得られたマンガン
酸リチウムをリチウム二次電池の正極材料に使用する
と、電池性能が低下するので好ましくない。これらのリ
チウム及びマンガン原料の中で、二酸化マンガンと炭酸
リチウムの組み合わせが最も好ましい。
【0013】これらリチウム及びマンガン原料は、より
大きな反応断面積を得るために、原料混合前あるいは後
に粉砕することも好ましい。秤量、混合された原料はそ
のままでもあるいは造粒して使用してもよい。造粒方法
は、湿式でも乾式でも良く、押し出し造粒、転動造粒、
流動造粒、混合造粒、噴霧乾燥造粒、加圧成形造粒ある
いはロール等を用いたフレーク造粒でも良い。
【0014】このようにして得られた原料は、焼成炉内
に投入され、600〜1000℃で焼成することによっ
て、マンガン酸リチウムが得られる。単一相のマンガン
酸リチウムを得るには600℃程度の焼成温度でも十分
であるが、焼成温度が低いと粒成長が進まないので75
0℃以上の焼成温度、好ましくは850℃以上の焼成温
度が必要となる。ここで用いられる焼成炉としては、ロ
ータリーキルンあるいは静置炉等が例示される。焼成時
間は1時間以上、好ましくは5〜20時間である。この
マンガン酸リチウムの中でもスピネル型マンガン酸リチ
ウムが4V級の電位を有することから特に好ましく用い
られる。
【0015】また、配位子を供給可能な有機化合物とし
ては、アミノ基及び/又はカルボキシル基を含むものが
好ましく、具体的にはマロン酸、こはく酸、グルタル
酸、アジピン酸等の有機酸やアミン、アミド等が挙げら
れる。これらの中でも有機酸、とりわけマロン酸が好ま
しく用いられる。
【0016】この配位子を供給可能な有機化合物の被覆
量は、上記マンガン酸リチウムに対して、好ましくは
0.01〜1.0重量%、さらに好ましくは0.05〜
0.5重量%である。有機化合物の被覆量が0.01重
量%未満では高温保存性が低下し、また2.0重量%を
超えると初期容量が低下する。
【0017】次に、本発明のリチウム二次電池用正極材
料の製造方法について説明する。本発明では、このマン
ガン酸リチウムと配位子を供給可能な有機化合物を混合
し、例えば室温〜400℃、好ましくは80〜200℃
で熱処理してリチウム二次電池用正極材料とする。熱処
理温度が400℃超では高温保存性に劣る。また、熱処
理時間は30分〜24時間が適当である。
【0018】本発明のリチウム二次電池は、上記正極材
料とアセチレンブラック等の導電材とテフロンバインダ
ー等の結着剤とを混合して正極合剤とし、また、負極に
はリチウム又はカーボン等のリチウムを吸蔵、脱蔵でき
る材料が用いられ、非水系電解質としては、六フッ化リ
ンリチウム(LiPF6 )等のリチウム塩をエチレンカ
ーボネート−ジメチルカーボネート等の混合溶媒に溶解
したものが用いられるが、特に限定されるものではな
い。
【0019】本発明のリチウム二次電池は、充電状態で
のマンガンの溶出を抑制することができるので、高温保
存性、高温サイクル特性等の高温での電池特性を向上さ
せることができる。
【0020】
【実施例】以下、実施例等に基づき本発明を具体的に説
明する。
【0021】〔実施例1〕二酸化マンガン1kgに炭酸
リチウム230gを加えて混合し、箱型炉中800℃で
20時間焼成してマンガン酸リチウムを得た。このよう
にして得られたマンガン酸リチウム100gとエタノー
ルを溶解させたマロン酸0.5gを混合し、120℃で
10時間加熱して正極材料を得た。得られた正極材料9
0重量部、導電剤としてアセチレンブラック3重量部及
び結着剤としてテフロン7重量部を混合して正極合剤を
作製した。
【0022】このようにして得られた正極合剤を用いて
2016型コイン電池を作製した。負極には金属リチウ
ムを、電解液には1モルLiPF6 /エチレンカーボネ
ート−ジメチルカーボネート(1:1)混合溶媒を用い
た。
【0023】このようにして得られた電池について、2
5℃で電流密度0.5mA/cm2として、電圧4.3
Vから3.0Vの範囲で5サイクル充放電試験を行なっ
た。その後、この電池を50℃の環境下で同条件で50
サイクル充放電し、1サイクル目の放電容量を100と
した時の、50サイクル目の放電容量を容量維持率とし
て確認した。50℃での初期放電容量と50サイクル後
の容量維持率の測定結果を表1に示す。
【0024】〔実施例2〕マンガン酸リチウムと混合す
る有機化合物をこはく酸0.5gとし、加熱温度を15
0℃とした以外は、実施例1と同様に正極材料の合成、
電池の作製を行い評価した。50℃での初期放電容量と
50サイクル後の容量維持率の測定結果を表1に示す。
【0025】〔実施例3〕マンガン酸リチウムと混合す
る有機化合物をグルタル酸0.5gとし、加熱温度を1
00℃とした以外は、実施例1と同様に正極材料の合
成、電池の作製を行い評価した。50℃での初期放電容
量と50サイクル後の容量維持率の測定結果を表1に示
す。
【0026】〔実施例4〕マンガン酸リチウムと混合す
る有機化合物をアジピン酸0.5gとし、加熱温度を1
50℃とした以外は、実施例1と同様に正極材料の合
成、電池の作製を行い評価した。50℃での初期放電容
量と50サイクル後の容量維持率の測定結果を表1に示
す。
【0027】〔実施例5〕マンガン酸リチウムと混合す
る有機化合物をマロン酸0.01gとした以外は、実施
例1と同様に正極材料の合成、電池の作製を行い評価し
た。50℃での初期放電容量と50サイクル後の容量維
持率の測定結果を表1に示す。
【0028】〔実施例6〕マンガン酸リチウムと混合す
る有機化合物をマロン酸1.0gとした以外は、実施例
1と同様に正極材料の合成、電池の作製を行い評価し
た。50℃での初期放電容量と50サイクル後の容量維
持率の測定結果を表1に示す。
【0029】〔実施例7〕マンガン酸リチウムと混合す
る有機物をマロン酸0.001gとした以外は、実施例
1と同様に正極材料の合成、電池の作製を行い評価し
た。50℃での初期放電容量と50サイクル後の容量維
持率の測定結果を表1に示す。
【0030】〔実施例8〕マンガン酸リチウムと混合す
る有機化合物をマロン酸2.0gとした以外は、実施例
1と同様に正極材料の合成、電池の作製を行い評価し
た。50℃での初期放電容量と50サイクル後の容量維
持率の測定結果を表1に示す。
【0031】〔比較例1〕マンガン酸リチウムに有機化
合物を混合しなかった以外は、実施例1と同様に正極材
料の合成、電池の作製を行い評価した。50℃での初期
放電容量と50サイクル後の容量維持率の測定結果を表
1に示す。
【0032】
【表1】
【0033】表1に示されるように、実施例1〜8は、
初期放電容量及び高温保存後容量維持率に優れている。
特に、各有機化合物を一定範囲で被覆した実施例1〜6
は、比較例1に比較して、初期放電容量を同等に維持し
つつ、高温保存後容量維持率を大幅に向上させることが
できる。
【0034】図1にマロン酸のTG−DTA曲線、図2
に実施例1のTG−DTA曲線をそれぞれ示す。マロン
酸には500℃までに発熱ピークは見られないが(図
1)、実施例1は300℃付近に重量減少を伴う発熱ピ
ークが見られる(図2)。これは、マロン酸のカルボキ
シル基がマンガン酸リチウム中のマンガンと何らかの結
合をしていることを示しており、昇温によりこの結合が
切れ、被覆した有機化合物が燃焼するときに発熱が起こ
る。従って、本実施例では被覆した有機化合物とマンガ
ン酸リチウムが化学結合しているが、単なる物理的な被
覆だけでもマンガンの溶出は抑制できる。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のリチウム
二次電池用正極材料は、充電時のマンガン溶出量を抑制
し、高温保存性、高温サイクル特性等の高温での電池特
性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、マロン酸のTG−DTA曲線を示すグ
ラフ。
【図2】図2は、実施例1のTG−DTA曲線を示すグ
ラフ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 配位子を供給可能な有機化合物でマンガ
    ン酸リチウムの表面を被覆したことを特徴とするリチウ
    ム二次電池用正極材料。
  2. 【請求項2】 上記有機化合物が、アミノ基及び/又は
    カルボキシル基を含むことを特徴とする請求項1記載の
    リチウム二次電池用正極材料。
  3. 【請求項3】 上記有機化合物の被覆量がマンガン酸リ
    チウムに対して0.01〜1.0重量%であることを特
    徴とする請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用正
    極材料。
  4. 【請求項4】 上記請求項1、2又は3に記載の正極材
    料を用いたリチウム二次電池。
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