JP2000159522A - Mg含有スピネル構造リチウムマンガン複合酸化物及びその製造法並びにその用途 - Google Patents

Mg含有スピネル構造リチウムマンガン複合酸化物及びその製造法並びにその用途

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JP2000159522A
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lithium
compound oxide
composite oxide
manganese composite
spinel structure
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Kazuaki Yamamoto
和明 山本
Naoto Suzuki
直人 鈴木
Takashi Mori
隆 毛利
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】有機電解質溶液中でのMn溶出が抑制されたス
ピネル構造リチウムマンガン複合酸化物、およびサイク
ル安定性に優れたリチウム二次電池を提供する。 【解決手段】式Lix・Mgy1・My2・Mn(2-y1-y2)4
(たとえば、M元素がCr、Fe、Ti、Al等、1<
x≦1.15、0.01≦y1≦0.2、0≦y2≦
0.2)で表され、平均一次粒子径が0.2〜7μmで
あり、BET比表面積が0.05〜2m2/gであるこ
とを特徴とするMg含有スピネル構造リチウムマンガン
複合酸化物であって、Li化合物とMn化合物と、Mg
化合物を混合し、焼成するMg含有スピネル構造リチウ
ムマンガン複合酸化物の製造方法において、焼成温度が
800〜950℃であることを特徴とする。Li二次電
池において、Mg含有スピネル構造リチウムマンガン複
合酸化物を正極活物質として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Mg含有スピネル
構造リチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法並び
に用途に関するものである。
【0002】リチウムマンガン複合酸化物は、高出力、
高エネルギー密度が達成できるリチウム二次電池用の正
極活物質として、近年注目されている。
【0003】
【従来の技術】リチウム二次電池用の正極材料として、
電圧作動領域が高いこと、高放電容量であること及びサ
イクル安定性が高いことが求められ、Liと各種金属、
例えば、Co、Ni、Mn等、の複合酸化物が検討され
ている。
【0004】マンガン複合酸化物は、原料のマンガンが
安価で資源的に豊富であり、更に合成も比較的容易であ
ることから、リチウム二次電池用の正極材料の中でも最
も期待されている材料である。
【0005】LiとMnの複合酸化物の一種であるスピ
ネル構造のLiMn24は、放電時に4V付近及び3V
付近に平坦部分のある二段放電を示し、4V付近の作動
領域で可逆的にサイクルさせることができれば、高いエ
ネルギーをとりだすことが期待され、正極活物質として
有望である。
【0006】しかしながら、充放電を繰り返すと充放電
容量が低下するサイクル安定性の問題が指摘されてお
り、特に高温におけるサイクル安定性に問題があるとさ
れている。
【0007】一方、近年、リチウム二次電池用正極活物
質としてLiMn24を用い充放電を行うと、有機電解
質溶液中にMnが溶出する現象が指摘されている。
【0008】更に、本発明者等がLiMn24粉末に有
機電解質溶液を加え85℃で保存し、有機電解質溶液中
のMnを分析した所、多量のMnが検出された。
【0009】これは、リチウム二次電池用正極材料にこ
の様なLiMn24を用いた場合、充放電を行わなくと
も、長期保存により、リチウム二次電池用正極として作
動しなくなる可能性を示している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、有機電解質
溶液中でのMn溶出が抑制されたスピネル構造リチウム
マンガン複合酸化物、およびサイクル安定性に優れたリ
チウム二次電池を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、Mn溶出
の抑制に着目し鋭意検討した結果、焼成温度が800〜
950℃であって、式Lix・Mgy1・My2・Mn
(2-y1-y2)4(ただし、該M元素がCr、Fe、Ti、
Al等、1<x≦1.15、0.01≦y1≦0.2、
0≦y2≦0.2)で表され、平均一次粒子径が0.2
〜7μmであり、BET比表面積が0.05〜2m2
gであることを特徴とするMg含有スピネル構造リチウ
ムマンガン複合酸化物組成が本発明の目的を達成し得る
ことを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【0012】
【作用】以下、本発明を詳細に説明する。
【0013】本発明のスピネル構造リチウムマンガン複
合酸化物においては、Mgを含有することが必須であ
る。
【0014】本発明のMg含有スピネル構造リチウムマ
ンガン複合酸化物の組成は、式Lix・Mgy1・My2・M
n(2-y1-y2)4(ただし、該M元素がCr、Fe、T
i、Al等、1<x≦1.15、0.01≦y1≦0.
2、0≦y2≦0.2)で表され、平均一次粒子径が
0.2〜7μmであり、BET比表面積が0.05〜2
2/gであることを特徴とするMg含有スピネル構造
リチウムマンガン複合酸化物であり、特に、式中のy2
=0である式Lix・Mgy1・Mn(2-y1)4(ただし、1
<x≦1.15、0.01≦y1≦0.2)で表され、
平均一次粒子径が0.2〜7μmであり、BET比表面
積が0.05〜2m2/gであることを特徴とするMg
含有スピネル構造リチウムマンガン複合酸化物でも構わ
ない。
【0015】Li量xは1<x≦1.15である。1以
下の場合有機電解質溶液へのMn溶出量が多くなり、
1.15を越えると充放電容量が小さくなる。
【0016】Mg量y1は0.01≦y≦0.2であ
る。1以下の場合有機電解質溶液へのMn溶出量が多く
なり、1.15を越えると充放電容量が小さくなる。
【0017】該M元素量y2は0.2以下である。0.
2を越えると充放電容量が小さくなる。
【0018】ここで、M元素としては、特に限定するも
のではないがCr、Fe、Ti、Alが好ましい。
【0019】本発明のMg含有スピネル構造リチウムマ
ンガン複合酸化物は、平均一次粒子径が0.2〜7μm
で、且つ、BET比表面積が0.05〜2m2/gであ
る。
【0020】平均一次粒子径が0.2μm未満ではMn
が溶出しやすく、一方、7μmを越えると電池活物質に
使用した場合に高い性能が得られにくい。尚、ここで言
う平均一次粒子径はSEMにより観察されたものであ
る。
【0021】BET比表面積が0.05m2/g未満で
は電池活物質に使用した場合に高い性能が得られにく
い、一方、2m2/gを越えるとMnが溶出しやすい。
【0022】本発明のMg含有スピネル構造リチウムマ
ンガン複合酸化物は、マンガン化合物とリチウム化合物
及びマグネシウム化合物等の含有多種元素化合物を混
合、焼成することにより製造できる。
【0023】化合物は、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝
酸塩等のなかで焼成温度以下で酸化物を生成するもので
あればよいが、特に、酸化物、水酸化物、炭酸塩が環境
に与える影響等から好ましい。
【0024】本発明における焼成温度は、800〜95
0℃でなければならない。
【0025】800℃未満の場合、Mn溶出量が多くな
る傾向にあり好ましくない。一方950℃を越えた場
合、電池活物質に用いると性能に悪影響をおよぼし好ま
しくない。
【0026】本発明では、本発明により得られたMg含
有スピネル構造リチウムマンガン複合酸化物を正極活物
質として用い、サイクル安定性の優れたLi二次電池を
得ることができる。
【0027】本発明のリチウム二次電池で用いる負極活
物質には、金属リチウム並びにリチウムまたはリチウム
イオンを吸蔵放出可能な物質を用いることができる。例
えば、金属リチウム、リチウム/アルミニウム合金、リ
チウム/スズ合金、リチウム/鉛合金および電気化学的
にリチウムイオンを挿入・脱離する炭素系材料が安全性
および電池の特性の面から特に好適である。
【0028】又、本発明のリチウム二次電池で用いる電
解質としては、特に制限はないが、例えば、カーボネー
ト類、スルホラン類、ラクトン類、エーテル類等の有機
溶媒中にリチウム塩を溶解したものや、リチウムイオン
導電性の固体電解質を用いることができる。
【0029】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に述べる
が、本発明はこれに限定されるものではない。
【0030】実施例1 式Lix・Mgy1・Mn(2-y1)4において、Li量xが1.
08、Mg量y1が0.1、Mn量が1.9となるように
MnO2とLi2CO3及びMg(OH)2粉末を秤量し、
乳鉢で混合した後、800℃で6時間焼成した。
【0031】得られた粉末の平均一次粒子径をSEM
で、比表面積をBET法で測定した。
【0032】Mn溶出の評価、電池特性の評価は下記の
方法により行った。
【0033】『Mn溶出の評価』試料粉末3gを六フッ
化リン酸リチウムを1モル/dm3の濃度でエチレンカ
ーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒に溶解し
た電解液15ミリリットルに含浸し、85℃、50時間
保持した後、固液分離し電解液中のMn濃度をICP分
光法により分析した。
【0034】『電池特性の評価』電池試験は図1に示さ
れるコイン型電池を使用して実施した。
【0035】正極には、得られたMg含有スピネル構造リ
チウムマンガン複合酸化物粉末と導電剤のポリテトラフ
ルオロエチレンとアセチレンブラックの混合物(商品
名:TAB−2)を、重量比で2:1の割合で混合し
た。混合物を1ton/cm2の圧力で、メッシュ(S
US316)上にペレット状に成形した後、200℃で
24時間減圧乾燥して得られたペレットを使用した。
【0036】得られたペレットを図1で示される電池の
の正極に用い、図1のの負極に電気化学的にリチウ
ムイオンを挿入・脱離するグラファイト(商品名:MC
MB)を使用し、電解液には六フッ化リン酸リチウムを
1モル/dm3の濃度でプロピレンカーボネートとジエ
チルカーボネートの混合溶媒に溶解した溶液を図1の
のセパレータに含浸させて電池を構成した。
【0037】電池は、1.0mA/cm2の一定電流
で、電池電圧が4.5Vから3.5Vの間で充放電を繰
り返し、初期容量、容量維持率(10サイクル目に対す
る50サイクル目の充電容量の%)を測定した。
【0038】得られた各測定値を表1に示した。
【0039】実施例2 焼成温度が900℃である以外は実施例1と同一条件で
実施した。
【0040】実施例3 Mg量y1が0.02である以外は実施例.2と同一条
件で実施した。
【0041】実施例4 式Lix・Mgy1・My2・Mn(2-y1-y2)4において該M元
素がCr(y2は0.1)であり、Li量xが1.0
8、Mg量y1が0.02、Mn量が1.88であり、焼
成温度が800℃である以外は実施例3と同一条件で実
施した。尚、Cr化合物は、Cr23を使用した。
【0042】実施例5 焼成温度が900℃である以外は実施例4と同一条件で
実施した。
【0043】比較例1 Mg元素を添加しない以外は実施例1と同一条件で実施
した。
【0044】比較例2 焼成温度が700℃である以外は実施例1と同一条件で
実施した。
【0045】比較例3 焼成温度が970℃である以外は実施例1と同一条件で
実施した。
【0046】
【表1】
【0047】
【発明の効果】本発明のMg含有スピネル構造リチウム
マンガン複合酸化物は、有機溶媒中でMn溶出が少な
く、長期保存後も安定した充放電サイクル性を発揮し、
さらに高温で充放電を行っても劣化が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスピネル構造リチウムマンガン系酸化
物を正極活物質に用いて構成した電池を示す。
【符号の説明】 封口板 ガスケット ケース 負極集電体 負極 セパレーター 正極 正極集電体
フロントページの続き Fターム(参考) 4G002 AA06 AA08 AB01 AD04 AE05 4G048 AA04 AA05 AB05 AC06 AD04 AD06 AE05 5H003 AA03 BA01 BB05 BC01 BC06 BD01 BD02 BD05 5H029 AJ04 AK03 AL06 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ03 BJ16 CJ02 DJ16 DJ17 HJ02 HJ05 HJ07 HJ14

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】式Lix・Mgy1・My2・Mn(2-y1-y2)4
    (ただし、該M元素がCr、Fe、Ti、Al等、1<
    x≦1.15、0.01≦y1≦0.2、0≦y2≦
    0.2)で表され、平均一次粒子径が0.2〜7μmで
    あり、BET比表面積が0.05〜2m2/gであるこ
    とを特徴とするMg含有スピネル構造リチウムマンガン
    複合酸化物。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のMg含有スピネル構造リ
    チウムマンガン複合酸化物において、式中のy2=0で
    あり、式Lix・Mgy1・Mn(2-y1)4(ただし、1<x
    ≦1.15、0.01≦y≦0.2)で表され、平均一
    次粒子径が0.2〜7μmであり、BET比表面積が
    0.05〜2m2/gであることを特徴とするMg含有
    スピネル構造リチウムマンガン複合酸化物。
  3. 【請求項3】Li化合物とMn化合物と、Mg化合物を
    混合し、焼成するMg含有スピネル構造リチウムマンガ
    ン複合酸化物の製造方法において、焼成温度が800〜
    950℃であることを特徴とする請求項1及び請求項2
    に記載のMg含有スピネル構造リチウムマンガン複合酸
    化物の製造方法。
  4. 【請求項4】正極、負極、Liを含む電解質を溶解した
    非水電解質及びセパレーターからなるLi二次電池にお
    いて、請求項1又は請求項2記載のMg含有スピネル構
    造リチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として使用
    することを特徴とするLi二次電池。
  5. 【請求項5】請求項4のLi二次電池において、炭素系
    材料を負極活物質とすることを特徴とするLi二次電
    池。
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