JP2001206722A - リチウムマンガン複合酸化物、リチウム二次電池用正極材料、正極、及びリチウム二次電池、並びにリチウムマンガン複合酸化物の製造方法 - Google Patents

リチウムマンガン複合酸化物、リチウム二次電池用正極材料、正極、及びリチウム二次電池、並びにリチウムマンガン複合酸化物の製造方法

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JP2001206722A JP2000334452A JP2000334452A JP2001206722A JP 2001206722 A JP2001206722 A JP 2001206722A JP 2000334452 A JP2000334452 A JP 2000334452A JP 2000334452 A JP2000334452 A JP 2000334452A JP 2001206722 A JP2001206722 A JP 2001206722A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温サイクル特性の優れたリチウムイオン二
次電池の正極活物質として好適なリチウムマンガン複合
酸化物を提供する。 【解決手段】 下記一般式(1) 【化1】 (上記一般式中、0≦α≦0.5、0.005≦y≦
0.5、−0.1≦δ≦0.1であり、MはLi及びM
n以外の元素を表す)で表されるリチウムマンガン複合
酸化物であって、7Li−NMR測定で得られる5±4
0ppmのメインピーク強度と525±40ppmのメ
インピーク強度との比(I0ppm/I500ppm)が 【数1】I0ppm/I500ppm≦0.65y+0.02 の範囲にある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、スピネル型リチウ
ムマンガン複合酸化物に関するものである。特にサイク
ル特性に優れたリチウムイオン二次電池の正極活物質と
して好適なリチウムマンガン複合酸化物に関する。
【0002】
【従来の技術】正極及び負極が互いにリチウムイオンを
吸蔵・放出することによって電池として機能するリチウ
ムイオン二次電池は、高電圧・高エネルギー密度を有
し、携帯電話、携帯用パソコン、ビデオカメラ、電気自
動車等の用途に好適に用いることができる。リチウムイ
オン二次電池用の正極活物質としては、層状複合酸化物
であるLi 1-xCoO2(0≦x≦1)が4V級の高電圧
を得ることができ、且つ高いエネルギー密度を有するこ
とから、既に広く実用化されている。一方で、原料であ
るCoは資源的に乏しく高価である。従って、リチウム
イオン二次電池の需要が今後も大幅に拡大してゆく可能
性を考えると、原料供給の面で不安があると共に、更に
価格が高騰することも有り得る。そこで、Li1-xCo
2に変わり得る正極活物質として安価なMnの複合酸
化物を正極活物質として利用することが考えられてい
る。
【0003】マンガンの複合酸化物の中でも、スピネル
型立方晶リチウムマンガン複合酸化物は、M.M.Th
ackerayが、Liイオンが出し入れ可能であるこ
とを報告(Research Bulletin,Vo
l.18,pp461−462(1989))して以
来、リチウム二次電池の正極材料として種々検討されて
きた。スピネル型立方晶リチウムマンガン複合酸化物は
一般にLiMn24の化学式で表され、スピネル型の結
晶構造を有す。この複合酸化物を正極活物質としたリチ
ウム二次電池は、Liの出入りによりLiMn24(放
電状態)とλ−MnO2(充電状態)の間で組成が変化
する。立方晶以外にこれが歪んだ正方晶及び斜方晶も存
在する。
【0004】しかしながら、リチウムマンガン複合酸化
物は、特に50〜60℃といった高い温度で繰り返し充
放電を行った際の容量劣化が前述のLi1-xCoO2と比
較して大きい点で問題があった。この点に関しては、
(1)リチウムマンガン複合酸化物の結晶性を改善す
る、(2)結晶構造を安定化するために、Mnの一部を
他の金属元素で置換することにより容量劣化を抑制する
等の改良が提案されている。特に、前記(2)の方法に
よる、他元素で置換したリチウムマンガン複合酸化物
(以下、このようなリチウムマンガン複合酸化物を「置
換リチウムマンガン複合酸化物」ということがある)
は、単純なリチウムマンガンとの2種を含む複合酸化物
(無置換)に比べ、結晶構造が安定化し、その結果充放
電による容量劣化を抑制することができるので、極めて
有効な方法である。しかしながら、近年の要求性能レベ
ルの向上と相俟って、これらの方法においても、未だ決
して充分とは言えないのが現状であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情を
鑑みなされたもので、その目的は、リチウム二次電池に
好適なリチウムマンガン複合酸化物、特に置換リチウム
マンガン複合酸化物を提供することにある。また、本発
明の他の目的は、サイクル特性の優れたリチウム二次電
池、及びこれに用いる正極を提供することにある。本発
明のさらに他の目的はリチウム二次電池に好適な置換リ
チウムマンガン複合酸化物の製造方法を提供することに
ある。
【0006】本発明者らは、上記目的を達成するために
鋭意検討した結果、置換リチウムマンガン複合酸化物の
場合、単純なリチウムとマンガンとの2種からなる無置
換のリチウムマンガン複合酸化物とは異なり、その製法
によって微妙にその構造が異なり、それによって性能差
が生じることを見出した。即ち、本発明者らの知見によ
れば、従来の通常の製法である、空気中でリチウム源と
マンガン源との含む原料を焼成する方法では十分ではな
く、低酸素濃度雰囲気での焼成と高酸素濃度雰囲気での
焼成との2段階で焼成を行うと、良好な性能を与える置
換リチウムマンガン複合酸化物を得ることができる。ま
た、本発明者らは、このような良好な性能を与えるリチ
ウムマンガン複合酸化物は、 7Li−NMRにより特定
できることを見出し、本発明を完成した。
【0007】即ち、本発明の要旨は、リチウムとマンガ
ンと、リチウム及びマンガンとは異なる他金属元素とを
含有するスピネル型リチウムマンガン複合酸化物であっ
て、組成条件が次式(A)
【0008】
【数3】(x−1)+y+z=2 …(A)
【0009】(ただし、x、z及びyは、それぞれ順に
リチウム、マンガン及び他金属元素のモル比であり、x
=1〜1.5、y=0.005〜0.5、z=残部を表
す。)を満足し、且つ下記測定方法での 7Li−NMR
測定で得られる5±40ppmのメインピーク強度と5
25±40ppmのメインピーク強度との比(I0ppm
500ppm)が次式(B)
【0010】
【数4】 I0ppm/I500ppm≦0.65y+0.02 …(B)
【0011】の範囲にあることを特徴とするリチウムマ
ンガン複合酸化物に存する。 <測定方法>4mm Magic Angle Spi
nning(MAS)プローブを利用する。また、測定
パルスシーケンスとしてπパルスエコー法を用いる。 測定条件: 共鳴周波数;155.43MHz 観測範囲;1MHz MAS回転数;15kHz 測定温度;25℃ 化学シフト標準;LiCl0.1M水溶液(0ppm) 測定パルスシーケンス;πパルスエコー法 *1 測定パルス幅;1μs for 90、2μs for 180度 エコー待ち時間τ;67μs(MAS回転数15kHz
の逆数) 繰り返し時間;64秒* 1 90度パルス−待ち時間τ−180度(π)パル
ス−待ち時間τ−観測得られたNMRスペクトルに対し
て以下の方法でピーク分割を行い、最終的なピーク強度
を得る。 ピーク分割条件: フィッティング関数;Lorentz型 ベースライン補正;オフセット その他;5±40ppmと525±40ppmとのそれ
ぞれに、一本メインピークがあると仮定し、その他をサ
イドバンドとしてフィッティングを行う。なお、リチウ
ムマンガン複合酸化物の製法については、例えば、下記
のような公知文献がある。
【0012】特開平7−245106号公報には、Mn
2とLiNO3を窒素ガス下、低温(500℃前後)で
焼成することにより2m2/g以上の比表面積の大きな
結晶性スピネル構造のLixMn24を製造する方法を
開示している。該公報には、比表面積の大きな結晶性ス
ピネル構造のLixMn24の使用が、高い放電速度で
の放電容量及びサイクル特性を向上させると記載されて
いる。
【0013】また、特開平10−247497号公報に
は、リチウム塩、マンガン塩、ポリビニルブチラール
(キレート化剤)溶液からゲルを製造し、200〜90
0℃で5〜30時間不活性気体または空気雰囲気下で焼
成するリチウム二次電池用陽極活物質としてのLixM
24の製造方法を提案している。しかしながら、上記
いずれの先行技術も、本発明を示唆するものではない。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のリチウムマンガン複合酸化物は、リチウムとマ
ンガンとリチウム及びマンガンとは異なる他金属元素と
を含有するスピネル型リチウムマンガン複合酸化物であ
る。ここで、x、z及びyをそれぞれ順にリチウム、マ
ンガン及び他金属元素のモル比としたとき、下記の組成
条件を満足する。
【0015】
【数5】 (x−1)+y+z=2 (即ち、x+y+z=3) …(A) x=1〜1.5 y=0.005〜0.5
【0016】スピネル型のリチウムマンガン複合酸化物
は、その基本的な組成式として、LiMn24で表すこ
とができる。これらにならって、上記組成条件を表現す
れば、本発明のリチウムマンガン複合酸化物は、下記一
般式(1)で表すことができる。
【0017】
【化2】
【0018】上記一般式(1)中、αは0≦α≦0.5
の範囲の数である。αは、一般にマンガンサイトに置換
するリチウム原子の量に相当し、(1+α)が全体のリ
チウム原子の量に相当する。αは、前記(A)式のxの
値とα=x−1の関係にある。αの値は、あまりに大き
いと電池容量が低下しすぎるので、通常0.4以下、好
ましくは0.2以下、さらに好ましくは0.1以下、最
も好ましくは0.08以下である。ただし、あまりに小
さいのは現実的に得難く、また結晶構造が安定化しにく
いので、通常0.001以上、好ましくは0.01以上
である。
【0019】上記一般式(1)中、yは、(A)式にお
けるyと同義であり、0.005≦y≦0.5の範囲の
数である。yは、一般にマンガンサイトに置換する他金
属元素Mの量に相当する。yの値は、あまりに大きいと
電池容量が低下しすぎるので、通常0.4以下、好まし
くは0.35以下、さらに好ましくは0.3以下であ
る。ただし、あまりに小さいと充放電による容量低下が
顕著になるので、通常0.01以上、好ましくは0.0
2以上、さらに好ましくは0.05以上、最も好ましく
は0.07以上である。
【0020】上記一般式(1)中、δは−0.1≦δ≦
0.1、好ましくは−0.05≦δ≦0.05の範囲の
数である。δは、リチウムマンガン結晶中のリチウムマ
ンガン複合酸化物の不定比性に由来する酸素欠損量又は
酸素過剰量に相当する。上記一般式において、他金属元
素M(置換元素とも称することがある)は、リチウム及
びマンガン以外の金属元素を表す。このような他金属元
素Mとしては、Al、Fe、Ga、Bi、Sn、V、C
r、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Ti、Ge、N
b、Ta、Zr、Li等の各種の金属元素を挙げること
ができる。置換元素Mは、好ましくは、Al、Ti、
V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga
及びZrであり、さらに好ましくはAl、Fe、Ga、
Cr、Co、Mg及びTiである。これらの置換元素を
複数種併用することもできる。この中で、最も好ましい
のはアルミニウムである。
【0021】本発明のリチウムマンガン複合酸化物の平
均1次粒径は、通常50μm以下、好ましくは10μm
以下、さらに好ましくは5μm以下、最も好ましくは4
μm以下であり、また通常0.01μm以上、好ましく
は0.1μm以上である。1次粒径が小さすぎると表面
での副反応等が起こりやすくなるためにサイクル特性等
が低下する傾向にあり、大きすぎるとレート特性や容量
が低下する傾向にある。平均1次粒径は、SEM観察に
よって測定することができる。また、リチウムマンガン
複合酸化物の平均2次粒径は、通常100μm以下、好
ましくは70μm以下、さらに好ましくは50μm以
下、最も好ましくは20μm以下であり、また、通常
0.1μm以上、好ましくは0.3μm以上、さらに好
ましくは0.5μm以上、最も好ましくは1μm以上で
ある。2次粒径が小さすぎるとサイクル特性や安全性が
低下する傾向にあり、大きすぎると内部抵抗が大きくな
って十分な出力が出にくくなる傾向にある。平均2次粒
径は粒度分布計で測定することができる、さらに、リチ
ウムマンガン複合酸化物の窒素吸着による比表面積は、
通常0.1m2/g以上、好ましくは0.3m2/g以上
であり、また通常5m2/g以下、好ましくは3m2/g
以下である。比表面積が大きすぎると表面での副反応等
が起こりやすくなるためにサイクル特性等が低下する傾
向にあり、小さすぎるとレート特性や容量が低下する傾
向にある。
【0022】本発明の大きな特徴は、上記のような置換
リチウムマンガン複合酸化物が、特定の 7Li−NMR
スペクトルを有する点にある。具体的には、7Li−N
MR測定で得られる5±40ppmのメインピーク強度
と525±40ppmのメインピーク強度との比(I
0ppm/I500ppm)が
【0023】
【数6】I0ppm/I500ppm≦0.65y+0.02
【0024】好ましくは
【0025】
【数7】I0ppm/I500ppm≦0.65y+0.01
【0026】さらに好ましくは、
【0027】
【数8】I0ppm/I500ppm≦0.65y
【0028】の範囲にあるものである。 <測定方法>4mm Magic Angle Spi
nning(MAS)プローブを利用する。また、測定
パルスシーケンスとしてπパルスエコー法を用いる。 測定条件: 共鳴周波数;155.43MHz 観測範囲;1MHz MAS回転数;15kHz 測定温度;25℃ 化学シフト標準;LiCl0.1M水溶液(0ppm) 測定パルスシーケンス;πパルスエコー法 *1 測定パルス幅;1μs for 90、2μs for 180度 エコー待ち時間τ;67μs(MAS回転数15kHz
の逆数) 繰り返し時間;64秒* 1 90度パルス−待ち時間τ−180度(π)パル
ス−待ち時間τ−観測 得られたNMRスペクトルに対して以下の方法でピーク
分割を行い、最終的なピーク強度を得る。 ピーク分割条件: フィッティング関数;Lorentz型 ベースライン補正;オフセット その他;5±40ppmと525±40ppmとのそれ
ぞれに、一本メインピークがあると仮定し、その他をサ
イドバンドとしてフィッティングを行う。
【0029】なお、上記ピーク強度比I0ppm/I500ppm
は、置換元素Mの結晶構造内における不均一性に対応す
ると推定される。このような特定のピーク強度比を有す
る置換リチウムマンガン複合酸化物は、これをリチウム
二次電池の活物質として使用した場合に、優れた電池特
性、特に高温でのサイクル特性を示す。
【0030】このような特定のピーク強度比を有する置
換リチウムマンガン複合酸化物は、原料を単に空気中で
焼成する従来の方法では製造するのが困難であり、焼成
方法として特定の方法を採用することにより容易に製造
することができる。具体的には、本発明の特定のピーク
強度比を有する置換リチウムマンガン複合酸化物は、リ
チウム源とマンガン源とリチウム及びマンガンと異なる
他金属元素源とを含む原料を、低酸素濃度雰囲気での焼
成の後、高酸素濃度雰囲気で焼成することによって得る
ことができる。
【0031】また、上記特定のピーク強度比を有する置
換リチウムマンガン複合酸化物を得るためには、上記焼
成条件以外に、置換元素Mを結晶中によく均一化させる
ような製造条件を選択することも重要である。例えば、
焼成に供する原料中の置換元素源を原料中にできるだけ
よく分散させておくことや、焼成に供する原料の粒径を
できるだけ小さくすることが重要である。これらの具体
的方法や具体的条件については後述する。
【0032】原料として用いられるリチウム源として
は、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチ
ウム、ハロゲン化リチウム等のリチウムの無機塩や、酢
酸リチウム、シュウ酸リチウム等のリチウムの有機酸塩
を用いることができる。また、酸化リチウムを用いるこ
ともできる。これらは、水和物であってもよく、また、
電離している状態で用いることもできる。好ましくは炭
酸リチウム、水酸化リチウムである。無論、リチウム源
として複数種を併用することもできる。
【0033】もう1つの原料であるマンガン源として
は、例えば、MnO2、Mn23、Mn34、MnO等
のマンガン酸化物、マンガン水酸化物、オキシ水酸化マ
ンガン、硝酸マンガン、炭酸マンガン等のマンガンの無
機酸塩、酢酸マンガン等のマンガンの有機酸塩を用いる
ことができる。これらは水和物であってもよく、また電
離している状態で用いることもできる。好ましくはマン
ガン酸化物、オキシ水酸化マンガンである。また、マン
ガン源のマンガン価数は3価が好ましい。マンガン源と
して複数種を併用することができる。リチウム源とマン
ガン源の反応を行う際のLi/Mn比率は、モル比で
0.4〜0.6が好ましく、より好ましくは0.45〜
0.55である。
【0034】他金属元素Mを含む他金属元素源(置換元
素源ということもある)をリチウム源とマンガン源と共
存させる。置換元素源としては、置換元素Mの酸化物、
水酸化物、オキシ水酸化物、有機酸塩、塩化物、硝酸
塩、硫酸塩等の無機酸塩を用いることができる。これら
は水和物であってもよく、また、電離した状態で使用す
ることもできる。これらの原料におけるLi/(Mn+
置換元素M)のモル比は、通常0.4〜0.6、好まし
くは0.45〜0.55、さらに好ましくは0.5〜
0.55である。原料中のLiとMnと置換元素Mとの
モル比は、概ね最終的なリチウムマンガン複合酸化物に
おけるLiとMnと置換元素Mとのモル比を決める。
【0035】原料は通常焼成前に混合処理に供される。
混合方法は特に限定されるものではなく、乾式でも湿式
でも良く、例えばボールミル、振動ミル、ビーズミル等
の装置を使用する方法が挙げられる。水酸化リチウム等
の水溶性の原料は水溶液として他の固体の原料と混合し
ても良い。
【0036】湿式による混合は、より均一な混合が可能
であり、上記ピーク強度比を前記の範囲に制御しやすい
ので好ましい。この再、より均一に混合できる点でリチ
ウム源、マンガン源及び置換元素源の少なくとも一種を
水等の媒体中に溶解させるのがより好ましい。混合の時
間は、混合方法により異なるため一概には言えないが、
原料が粒子レベルで均一に混合されていれば良く、例え
ばボールミル(乾式又は湿式)では通常1時間〜2日程
度、ビーズミル(湿式連続法)では通常滞留時間0.1
〜1時間程度である。
【0037】原料の湿式混合を行なった場合、焼成前に
通常これを乾燥する。乾燥方法としては、噴霧乾燥が好
ましい。噴霧乾燥によってより均一な原料を得ることが
できるので、より容易に前記ピーク強度比を前記の範囲
に制御することができる。焼成処理前の原料は、できる
だけ小さい粒径の粉末とするのが好ましい。具体的に
は、通常10μm以下、好ましくは2μm以下、さらに
好ましくは1μm以下、より好ましくは0.5μm以下
とする。その結果、得られるリチウムマンガン複合酸化
物の球状度を上げることができ、また焼成時間を短縮す
ることができる。さらには、より容易に前記ピーク強度
比を前記の範囲に制御することができる。ただし、あま
りに小さい粒径を得るのは、工業的には困難なことが多
いので、通常0.01μm以上、好ましくは0.05μ
m以上、さらに好ましくは0.1μm以上とする。
【0038】なお、前記のような噴霧乾燥を用いた原料
調製においては、焼成前の原料の粒径は、噴霧乾燥に供
されるスラリー中の未溶解固形物の粒径によって制御す
ることができる。従って、噴霧乾燥に供されるスラリー
中の未溶解固形物の平均粒子径は通常2μm以下、好ま
しくは1μm以下、より好ましくは0.5μm以下であ
り、また通常0.01μm以上、好ましくは0.05μ
m以上、さらに好ましくは0.1μm以上とする。
【0039】原料の焼成処理においては、まず低酸素濃
度雰囲気で焼成される。低酸素濃度雰囲気とは、焼成時
の原料近傍の気相中の酸素含有量が10容量%〜0%を
意味し、好ましくは5容量%以下である。この様な低酸
素濃度雰囲気は、具体的には、窒素、またはアルゴン、
ヘリウム等の不活性ガス、水蒸気、一酸化炭素、二酸化
炭素等を焼成炉内にガスとして流通させる方法や、上記
のガスを発生する物質(例えば水、炭酸塩)や炭酸等の
酸素と反応する物質を炉内に設置あるいは供給すること
により形成することが出来る。
【0040】低酸素濃度雰囲気で焼成された原料混合物
は、次いで、高酸素濃度雰囲気で焼成される。高酸素濃
度雰囲気とは、焼成時の原料近傍の気相中の酸素含有量
が15容量%以上であることを意味し、好ましくは20
容量%以上である。高酸素濃度雰囲気としては、具体的
には大気(空気)或いは酸素もしくは酸素を含有する混
合ガスを炉内に流通させるか、酸素を発生する物質(例
えば硝酸塩)を炉内に設置あるいは供給することにより
形成することが出来る。
【0041】低酸素濃度雰囲気から、高酸素濃度雰囲気
に切り替えるには、例えば、焼成中に炉内に流通させる
ガスを変更する方法、PSA等の手段により流通ガス中
の酸素含有量を変化させる方法、低酸素濃度雰囲気の炉
内で焼成した後、高酸素濃度雰囲気の炉内で焼成する方
法等がある。焼成には、例えば箱形炉、管状炉、トンネ
ル炉、ロータリーキルン等を使用することができる。焼
成温度は、通常500℃以上、好ましくは600℃以
上、さらに好ましくは800℃以上であり、また通常1
000℃以下、好ましくは950℃以下、さらに好まし
くは920℃以下である。焼成温度が低すぎると、原料
の反応速度が遅くあまり実用的ではない。一方、高すぎ
る温度では酸素を含有する雰囲気においてもスピネル型
リチウムマンガン複合酸化物が不安定となり好ましくな
い。焼成は一定温度で行なってもよくまた、変化させな
がら行なってもよい。
【0042】焼成をより均一に行う為には、常温から上
記の焼成温度まで昇温する際に、例えば毎分5℃以下の
昇温速度で徐々に昇温するか、或いは途中で一旦昇温を
停止し、一定温度で保持した後、昇温することが望まし
い。又焼成後も徐々に、例えば毎分5℃以下の冷却速度
で常温まで冷却することが好ましい。
【0043】焼成時間は、通常1時間以上100時間以
下の広い範囲から選択される。焼成時間が短すぎると結
晶性の良い複合酸化物を得ることが出来ず、又長すぎる
のは実用的ではない。しかして焼成時間は原料粒子径、
焼成温度等の条件により異なり、一概には決められない
が、例えば原料平均粒子径1μmでは約5時間、10μ
mでは約1日である。
【0044】本発明においては、低酸素濃度雰囲気での
焼成によって、Mn34やLiMnO2のような、次に
行われる高酸素濃度雰囲気での焼成条件下では不安定な
物質を得るのが好ましい。換言すれば、焼成処理の際
に、高酸素濃度雰囲気下においては不安定なMn34
LiMnO2のような不安定な化合物を経由するのが好
ましい。Mn34やLiMnO2は、高酸素濃度雰囲気
下において、例えば下記のような反応により、スピネル
型のリチウムマンガン複合酸化物を生成する。
【0045】
【化3】Mn34+3LiMnO2+O2 → 3LiM
24
【0046】このような不安定な中間相を経由して得ら
れたスピネル型リチウムマンガン複合酸化物は、1次粒
径が大きく、且つ1次粒子が密に焼結した2次粒子から
なるためより低比表面積とすることができると考えられ
る。また、このような不安定な中間相を経由して得られ
たスピネル型リチウムマンガン複合酸化物は、結晶中の
置換元素Mの結晶構造内における均一性が良好であり、
その結果、高温でのサイクル特性等、優れた電池性能を
発揮することができると考えられる。
【0047】得られたリチウムマンガン複合酸化物を正
極材料(活物質)として、電極さらには電池を作製する
ことができる。例えば、電池の一例としては、正極、負
極、電解質を有するリチウム二次電池が挙げられる。具
体的には、正極と負極との間には電解質が存在し、かつ
必要に応じてセパレーターが正極と負極が接触しないよ
うにそれらの間に配置された二次電池を挙げることがで
きる。
【0048】正極は、本発明で得られたリチウムマンガ
ン複合酸化物(正極材料)とバインダーとを含有する。
これに必要に応じて導電剤を含有していてもよい。正極
は、上記の材料を有する合剤に、これらを均一に分散さ
せる為の溶媒を一定量で混合して塗料とした後、集電体
上に塗布・乾燥することによって得ることができる。
【0049】ここで用いられる導電剤としては、天然黒
鉛、人造黒鉛、アセチレンブラック等を挙げることがで
きる。また、バインダーとしてはポリフッ化ビニリデ
ン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポ
リメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロ
ース等を挙げることができる。さらにまた、分散用の溶
媒としてはN−メチルピロリドン、テトラヒドロフラ
ン、ジメチルホルムアミド等を挙げることができる。正
極に用いられる集電体の材質としては、アルミニウム、
ステンレス等が挙げられる。好ましくはアルミニウムで
ある。正極は、通常、集電体上に正極合剤層を形成後、
通常、ローラープレス、その他の手法により圧密する。
【0050】一方、負極としては、天然黒鉛、熱分解炭
素等の炭素材料をCu等の集電体上に塗布したもの、或
いはリチウム金属箔、リチウム−アルミニウム合金等が
使用できる。好ましくは、炭素材料を使用する。リチウ
ム二次電池に使用する電解質は通常非水電解液であり、
電解塩を非水系溶媒に溶解してなる。電解塩としてはL
iClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、Li
Br、LiCF3SO3等のリチウム塩が挙げられる。ま
た、非水系溶媒としては、テトラヒドロフラン、1,4
−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリ
ル、ベンゾニトリル、ジメチルカーボネート、ジエチル
カーボネート、メチルエチルカーボネート、エチレンカ
ーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボ
ネート等が挙げられる。これら電解塩や非水系溶媒は単
独で用いても良いし、2種類以上を混合して用いても良
い。電解質は、上記電解液であってもよく、従来公知の
各種の固体電解質やゲル状電解質を使用することもでき
る。
【0051】リチウム二次電池に用いられるセパレータ
ーとしては、テフロン(登録商標)、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリエステル等の高分子、又はガラス繊
維等の不織布フィルター、或いはガラス繊維と高分子繊
維の複合不織布フィルター等を挙げることができる。
【0052】
【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施
例に制約されるものではない。 実施例1 [リチウムマンガン複合酸化物の製造]Mn23及びA
lOOHをMn:Alのモル比が1.88:0.12と
なるように秤量した。この原料粉100重量部に対し
て、純水233重量部とポリカルボン酸アンモニウム系
分散剤2重量部を加えた後、ビーズミルにて湿式粉砕し
て、混合しスラリーを得た。得られたスラリー中に分散
したMn23及びAlOOHの混合物の粒度分布を
(株)堀場製作所製レーザー回折/散乱式粒度分布測定
装置LA−910を使用して測定した結果、平均粒子径
は0.48μm、篩下90%粒子径は0.65μmであ
った。
【0053】このスラリーにLiOH・H2Oを添加し
て溶解させて、Li:Mn:Alのモル比が1.04:
1.88:0.12(x=1.026、y=0.11
8、z=1.855)の原料スラリーを調製した。この
スラリーを2流体ノズルによって噴霧乾燥し、ほぼ球状
に造粒された原料粒子を得た。この原料粒子5gを直径
50mmのアルミナ製ルツボに仕込み、小型雰囲気炉に
入れ、窒素を流通させ、炉の排気ガス中の酸素濃度を
0.1%以下とした後、窒素気流中にて5℃/min.
で900℃まで昇温した。炉内温度が900℃に到達し
て3時間後に流通ガスを窒素から空気に切り替え、さら
に2時間温度を保持した後、1℃/min.で室温まで
冷却し、平均粒子径(平均2次粒径)が8μmのほぼ球
状の粒子を得た。
【0054】この粒子は粉末X線回折パターンにより、
スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物であること
が確認された。また、この粒子の比表面積測定((株)
大倉理研製AMS−1000を用いた、窒素吸着による
BET比表面積)を行なったところ、比表面積は0.9
5m2/gであった。
【0055】[ 7Li−NMR測定]得られたリチウム
マンガン複合酸化物に対して、下記条件下にて7Li−
NMR測定を行い、5±40ppmに現れるメインピー
ク強度と525±40ppmに現れるメインピーク強度
との比(I0ppm/I500ppm)とをそれぞれ求めた。 使用した装置:バリアン社製固体NMR装置Chema
gnetics Infinity 400 測定方法:高速回転を得るため、4mm Magic
Angle Spinning(MAS)プローブを利
用した。また、観測範囲が広いことから、測定パルスシ
ーケンスとしてπパルスエコー法を用いた。以下に測定
条件を示す。 測定条件: 共鳴周波数;155.43MHz 観測範囲;1MHz MAS回転数;15kHz 測定温度;25℃ 化学シフト標準;LiCl0.1M水溶液(0ppm) 測定パルスシーケンス;πパルスエコー法 *1 測定パルス幅;1μs for 90、2μs for 180度 エコー待ち時間τ;67μs(MAS回転数15kHz
の逆数) 繰り返し時間;64秒* 1 90度パルス−待ち時間τ−180度(π)パル
ス−待ち時間τ−観測得られたNMRスペクトルを図2
に示す。 解析方法:得られたNMRスペクトルはメインピークに
MASによるサイドバンドが重畳したものになり、その
ままではピーク強度を求めることができない。そのため
メインピークとサイドバンドとについて以下の条件を用
いてピーク分割を行い、最終的にピーク強度を得た。
【0056】ピーク分割条件: フィッティング関数;Lorentz型 ベースライン補正;オフセット その他;5±40ppmと525±40ppmとのそれ
ぞれに、一本メインピークがあると仮定し、その他をサ
イドバンドとしてフィッティングを行った。解析の結果
得られた5±40ppmのメインピーク強度I0ppmと5
25±40ppmのメインピーク強度I500ppmとの比
(I0ppm/I500ppm)の値を表−1に示す。また、図1
に、得られたリチウムマンガン複合酸化物Li1+xMn
2-x-y y4-δのyの値とピーク強度比I0ppm/I
500ppmとの関係を示した。
【0057】[電池性能評価]リチウムマンガン複合酸
化物75重量部、導電剤としてのアセチレンブラック2
0重量部、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン
5重量部を混合し、成形して正極ペレットを作製した。
この正極ペレットを使用してコイン型電池を作製した。
即ち。負極材にリチウム金属を、電解液にはエチレンカ
ーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の
混合溶媒に1mol/Lの六フッ化リン酸リチウム(L
iPF6)を溶解した溶液を使用した。この電池を用い
て、25℃にて0.5mA/cm2の電流密度で充放電
した際の正極材単位重量当たりの放電容量を測定し、初
期放電容量とした。また、負極活物質として炭素を使用
した以外は初期放電容量測定の場合と同様にしてコイン
型電池を作製し、50℃にて1Cの電流値で充放電した
際の1サイクル目の容量に対する100サイクル目の容
量の比(%)を求め、容量維持率とした。以上の結果を
表−1にまとめる。
【0058】実施例2 Li:Mn:Alのモル比を1.04:1.92:0.
08としたこと以外実施例1と同様の方法で、リチウム
マンガン複合酸化物を製造し、評価した。結果を図1、
図3及び表−1にまとめる。
【0059】実施例3 Li:Mn:Alのモル比を1.04:1.84:0.
08としたこと以外実施例1と同様の方法で、リチウム
マンガン複合酸化物を製造し、評価した。結果を図1、
図4及び表−1にまとめる。
【0060】実施例4 Li:Mn:Alのモル比を1.04:1.80:0.
20としたこと以外実施例1と同様の方法で、リチウム
マンガン複合酸化物を製造し、評価した。結果を図1、
図5及び表−1にまとめる。
【0061】比較例1 実施例1において、焼成を全て大気雰囲気で行ったこと
以外は同様の方法でリチウムマンガン複合酸化物を製造
し、評価した。結果を図1、図6及び表−1に示す。
【0062】比較例2 実施例1において、AlOOHを添加せず、Li:Mn
のモル比を1.04:2.00とし、且つ焼成温度を8
50℃としたこと以外は同様の方法でリチウムマンガン
複合酸化物を製造し、評価した。結果を図1及び表−1
に示す。
【0063】比較例3 比較例1において、焼成を全て大気雰囲気で行った以外
は同様の方法でリチウムマンガン複合酸化物を製造し、
評価した。結果を図1及び表−1に示す。図1及び表−
1から、特定のピーク強度比I0ppm/I500ppmがI0ppm
/I500p pm≦0.65y+0.02の範囲にある時に、
良好な容量維持率を得ることができることが分かる(実
施例1〜4及び比較例1)。また、従来の単なる空気中
での焼成のみでは、このような特定範囲のピーク強度比
は得ることができず、その結果容量維持率も低いことが
分かる(比較例1)。さらに、アルミニウム(置換元素
M)が存在しない場合には、低酸素濃度雰囲気での焼成
の後、高酸素濃度雰囲気での焼成するという2段階の焼
成を行っても、従来の空気中での1段の焼成でも、性能
差が生じないことも分かる(比較例2及び比較例3)
【0064】
【表1】
【0065】実施例5 Mn23及びALOOHをMn:Alのモル比が1.8
8:0.12となるように秤量した。この原料粉100
重量部に対して、純水233重量部とポリカルボン酸ア
ンモニウム系分散剤2重量部を加えた後、ビーズミルに
て混合、粉砕し、固形分の平均粒径が0.5μmのスラ
リーとした。このスラリーにLiOH・H2Oを添加、
溶解させて、Li:Mn:Alのモル比が1.04:
1.88:0.12のスラリーを調製した。このスラリ
ーを噴霧乾燥し、平均粒子径(平均2次粒径)が8μm
のほぼ球状に造粒された粒子を得た。
【0066】この粒子を小型雰囲気炉にて窒素気流中に
て、900℃で26時間保持した。炉の排気ガス中の酸
素濃度は0.1%以下であった。26時間後、流通ガス
を窒素から空気に切り替え、0.2℃/min.で室温
まで冷却した。この粒子の粉末X線回折パターンを測定
した結果、スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物
であることが確認された。走査型電子顕微鏡による観察
の結果、平均1次粒子径は約3μmであった。また、窒
素吸着による比表面積測定の結果、比表面積は0.6m
2/gであった。
【0067】得られたリチウムマンガン複合酸化物75
重量部、導電剤としてのアセチレンブラックを20重量
部、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレンを5重
量部を混合し、成形して正極ペレットを作製した。この
正極ペレットを使用してコイン型電池を作製した。負極
材にリチウム金属を、電解液には、エチレンカーボネー
トとジエチルカーボネートとの体積比3:7混合溶媒
に、1mol/lの六フッ化リン酸リチウム(LiPF
6)を溶解した溶液を使用した。この電池を用いて、2
5℃にて1mA/cm2の電流密度で充放電した際の正
極材単位重量当たりの放電容量を測定したところ、10
9mAh/gであった。また、負極材として炭素を使用
した以外は上記と同様にしてコイン型電池を作製し、5
0℃にて1Cの電流値で充放電した際の100サイクル
後の容量の1サイクル目の容量に対する容量維持率は7
7%であった。
【0068】実施例6 実施例5において、窒素気流中、900℃での保持時間
を5時間とし、900℃保持終了時に流通ガスを窒素か
ら空気に切り替え、1℃/min.で冷却した以外は同
様にしてリチウムマンガン複合酸化物を得た。この粒子
の平均一次粒子径は約2μm、比表面積は0.8m2
gであった。実施例1と同様の方法で測定した放電容量
は112mAh/g、容量維持率は79%であった。
【0069】実施例7 窒素の代わりに窒素と空気の混合ガスを使用し、排気ガ
ス中の酸素濃度を1%とした以外は実施例6と同様にし
てリチウムマンガン複合酸化物を得た。この粒子の平均
一次粒子径は約1μmであった。実施例5と同様の方法
で測定した放電容量は112mAh/g、容量維持率は
79%であった。
【0070】実施例8 窒素の代わりに窒素と空気の混合ガスを使用し、排気ガ
ス中の酸素濃度を2%とした以外は実施例6と同様にし
てリチウムマンガン複合酸化物を得た。この粒子の平均
一次粒子径は約1μm、比表面積は1.0m2/gであ
った。実施例5と同様の方法で測定した放電容量は11
3mAh/g、容量維持率は77%であった。
【0071】実施例9 窒素の代わりに窒素と空気の混合ガスを使用し、排気ガ
ス中の酸素濃度を5%とした以外は実施例6と同様にし
てリチウムマンガン複合酸化物を得た。この粒子の平均
一次粒子径は約0.5μm、比表面積は1.3m2/g
であった。実施例5と同様の方法で測定した放電容量は
113mAh/g、容量維持率は74%であった。
【0072】実施例10 窒素ガス雰囲気での焼成温度を850℃とし、850℃
保持終了時に流通ガスを窒素から空気に切り替えた以外
は実施例6と同様にしてリチウムマンガン複合酸化物を
得た。この粒子の平均一次粒子径は約1μm、比表面積
は1.3m2/gであった。実施例5と同様の方法で測
定した放電容量は113mAh/g、容量維持率は77
%であった。
【0073】実施例11 窒素の代わりに水蒸気を用いた以外は実施例6と同様に
してリチウムマンガン複合酸化物を得た。この粒子の平
均一次粒子径は約1μm、比表面積は0.9m2/gで
あった。実施例5と同様の方法で測定した放電容量は1
13mAh/g、容量維持率は75%であった。
【0074】比較例4 焼成時に最初から空気を流して焼成した以外は実施例6
と同様にしてスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化
物を得た。この粒子の平均一次粒子径は約0.5μm、
比表面積は1.8m2/gであった。実施例5と同様の
方法で測定した放電容量は112mAh/g、容量維持
率は71%であった。
【0075】参考例1 実施例5と同様にして得られた原料混合物スラリーの噴
霧乾燥粒子を、窒素気流中にて900℃で1時間保持し
た後、同気流中にて30分で室温まで冷却した。この粒
子の粉末X線回折パターンを測定した結果、LiMnO
2とMn34の混合物であることが判明した。
【0076】参考例2 実施例5と同様にして得られた原料混合物スラリーの噴
霧乾燥粒子を、窒素気流中にて650℃で1時間保持し
た後、同気流中にて30分で室温まで冷却した。この粒
子の粉末X線回折パターンを測定した結果、LiMnO
2、Mn34およびLi2MnO3の混合物であることが
判明した。
【0077】参考例3 実施例5と同様にして得られた原料混合物スラリーの噴
霧乾燥粒子を、空気気流中にて650℃で1時間保持し
た後、同気流中にて30分で室温まで冷却した。この粒
子の粉末X線回折パターンを測定した結果、LiMn2
4単相であることが判明した。
【0078】
【発明の効果】本発明によれば、リチウム二次電池の正
極材料として優れた特性を有するリチウムマンガン複合
酸化物を得ることができる。特に、本発明によれば、容
量やレート特性、安全性や生産性に優れたリチウム二次
電池に用いられるリチウムマンガン複合酸化物を得るこ
とができる。さらに、本発明によれば、高温でのサイク
ル特性に特に優れたリチウム二次電池及びそれに用いる
リチウムマンガン複合酸化物を得ることができる。ま
た、本発明の製造方法により、原料を、先ず低酸素濃度
雰囲気中で、次いで高酸素濃度雰囲気中で焼成して得ら
れたスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物は、こ
れをリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用し
た場合に高温での容量維持率が高く、高温サイクル特性
に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1〜4及び比較例1における置換元素量
yとピーク強度比I0ppm/I50 0ppmとの関係を示すグラ
フである。
【図2】実施例1において使用したリチウムマンガン複
合酸化物の7Li−NMRスペクトルである。
【図3】実施例2において使用したリチウムマンガン複
合酸化物の7Li−NMRスペクトルである。
【図4】実施例3において使用したリチウムマンガン複
合酸化物の7Li−NMRスペクトルである。
【図5】実施例4において使用したリチウムマンガン複
合酸化物の7Li−NMRスペクトルである。
【図6】比較例1において使用したリチウムマンガン複
合酸化物の7Li−NMRスペクトルである。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リチウムとマンガンと、リチウム及びマ
    ンガンとは異なる他金属元素とを含有するスピネル型リ
    チウムマンガン複合酸化物であって、組成条件が次式
    (A) 【数1】 (x−1)+y+z=2 …(A) (ただし、x、z及びyは、それぞれ順にリチウム、マ
    ンガン及び他金属元素のモル比であり、x=1〜1.
    5、y=0.005〜0.5、z=残部を表す。)を満
    足し、 且つ下記測定方法での 7Li−NMR測定で得られる5
    ±40ppmのメインピーク強度と525±40ppm
    のメインピーク強度との比(I0ppm/I500ppm)が次式
    (B) 【数2】 I0ppm/I500ppm≦0.65y+0.02 …(B) の範囲にあることを特徴とするリチウムマンガン複合酸
    化物。 <測定方法>4mm Magic Angle Spi
    nning(MAS)プローブを利用する。また、測定
    パルスシーケンスとしてπパルスエコー法を用いる。 測定条件: 共鳴周波数;155.43MHz 観測範囲;1MHz MAS回転数;15kHz 測定温度;25℃ 化学シフト標準;LiCl0.1M水溶液(0ppm) 測定パルスシーケンス;πパルスエコー法 *1 測定パルス幅;1μs for 90、2μs for 180度 エコー待ち時間τ;67μs(MAS回転数15kHz
    の逆数) 繰り返し時間;64秒* 1 90度パルス−待ち時間τ−180度(π)パル
    ス−待ち時間τ−観測得られたNMRスペクトルに対し
    て以下の方法でピーク分割を行い、最終的なピーク強度
    を得る。 ピーク分割条件: フィッティング関数;Lorentz型 ベースライン補正;オフセット その他;5±40ppmと525±40ppmとのそれ
    ぞれに、一本メインピークがあると仮定し、その他をサ
    イドバンドとしてフィッティングを行う。
  2. 【請求項2】 下記一般式(1) 【化1】 (上記一般式中、0≦α≦0.5、0.005≦y≦
    0.5、−0.1≦δ≦0.1であり、MはLi及びM
    nとは異なる他金属元素を表す)で表される請求項1に
    記載のリチウムマンガン複合酸化物。
  3. 【請求項3】 リチウムマンガン複合酸化物の比表面積
    が、0.3〜3m2/gである請求項1又は2に記載の
    リチウムマンガン複合酸化物。
  4. 【請求項4】 他金属元素が、Al、Fe、Ga、B
    i、Sn、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、
    Ti、Ge、Nb、Ta、Zr及びLiからなる群から
    選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とす
    る請求項1乃至3のいずれか1つに記載のリチウムマン
    ガン複合酸化物。
  5. 【請求項5】 他金属元素が、Alを含有する請求項4
    に記載のリチウムマンガン複合酸化物。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載のリチウ
    ムマンガン複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正
    極材料。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載のリチウム二次電池用正
    極材料とバインダーとを含有するリチウム二次電池用正
    極。
  8. 【請求項8】 請求項1〜5のいずれかに記載のリチウ
    ムマンガン複合酸化物を含む正極と負極とを有するリチ
    ウム二次電池。
  9. 【請求項9】 負極が炭素材料を含む請求項8に記載の
    リチウム二次電池。
  10. 【請求項10】 リチウム源とマンガン源とリチウム及
    びマンガンとは異なる他元素源とを含む原料を低酸素濃
    度雰囲気にて焼成し、次いで高酸素濃度雰囲気にて焼成
    することを特徴とするスピネル型リチウムマンガン複合
    酸化物の製造方法。
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