JP2002068745A - リチウムマンガン複合酸化物複合体、その製造方法、リチウム二次電池正極活物質及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウムマンガン複合酸化物複合体、その製造方法、リチウム二次電池正極活物質及びリチウム二次電池

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JP2002068745A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リチウムイオン二次電池の正極活物質として
用いた時に、Mnイオンの溶出が少なく、電池性能、特
に容量維持率が高いリチウム二次電池の正極活物質とし
て有用なリチウムマンガン複合酸化物複合体、その製造
方法、これを含有する正極活物質および該正極活物質を
用いるリチウム二次電池を提供すること。 【解決手段】 下記一般式(1); Lix Mn2-y Mey 4-z (1) で表されるリチウムマンガン複合酸化物の表面に、下記
一般式(2); Lia Mn2 4 (2) で表されるリチウムマンガン複合酸化物の層が形成され
ているリチウムマンガン複合酸化物複合体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マンガンの溶出が
少なく、リチウム二次電池の正極活物質とて有用なリチ
ウムマンガン複合酸化物複合体及びその製造方法、これ
を含有するリチウム二次電池正極活物質及びリチウム二
次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、民生用電子機器のポータブル化、
コードレス化が急速に進むに従い、小型電子機器の電源
としてリチウム二次電池が実用化されはじめている。こ
のリチウム二次電池については、1980年に水島等に
よりコバルト酸リチウムがリチウム二次電池の正極活物
質として有用であるとの報告(「マテリアル リサーチ
ブレティン」vol 115,783〜789頁(19
80年))がなされて以来、リチウム系複合酸化物に関
する研究開発が活発に進められており、これまでに正極
活物質としてコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム
及びマンガン酸リチウムなどが知られている。このうち
マンガン酸リチウムは、コバルト酸リチウムやニッケル
酸リチウムと比較すると、原料が安価で製造コストが低
くなるため、従来より、種々の提案がされている。
【0003】しかし、LiMn2 4 は充放電により結
晶構造が歪んだ際に、Liイオンが安定な形で結晶構造
の中に取り込まれてしまうため、充放電を繰り返すうち
にLiイオンが放出されにくくなり、これがサイクル特
性の劣化につながることが知られている。
【0004】このため、例えば、Mn原子の一部をC
o、Ni、Cr、Feなどの元素と置換してリチウムマ
ンガン複合酸化物の結晶構造を安定化させる方法(特開
平2−278661号公報、特開平3−219571号
公報、特開平4−160769号公報)等が提案されて
いる。
【0005】また、充放電を繰り返すことによりMnイ
オン原子が電解質層に溶出する現象も知られている。
【0006】このため、例えば、リチウムマンガン複合
酸化物にある種の添加剤を添加する方法やリチウムマン
ガン複合酸化物の表面を被覆処理する方法が提案されて
いる。
【0007】リチウムマンガン複合酸化物にある種の添
加剤を添加する方法としては、例えば、LiMn2 4
に、Na、Na化合物、アンモニア化合物を含有させる
方法(特開平11−45702号公報)、燐酸アンモニ
ウム、燐酸アンモニウム化合物、ポリ燐酸アンモニウム
化合物を正極板または負極板に含有させる方法(特開平
11−154535号公報)、正極中にマンガン成分を
捕捉する捕捉剤として、燐酸リチウム、タングステン酸
リチウム、珪酸リチウム、アルミナイト、ホウ酸リチウ
ム、モリブデン酸リチウム、陽イオン交換樹脂の群から
選ばれる少なくとも1種以上を含有させる方法(特開2
000−11996号公報)、LiMn 2 4 に燐また
は燐酸化物を添加する方法(特開平9−259863号
公報)、正極、負極、非水電解質、及びセパレータから
リチウム二次電池の内部に、少なくともバリウム化合
物、ビスマス化合物、マグネシウム化合物、チタン化合
物、カルシウム化合物の1種以上を添加する方法(特開
平11−204145号公報)等が提案されている。
【0008】リチウムマンガン複合酸化物の表面を被覆
処理する方法としては、例えば、LiMn2 4 の表面
にLiMnO3 層を形成させる方法(特開平6−111
819号公報)、LiMn2 4 の表面をホウ素で被覆
する方法(特開平9−265984号公報)、Li
(1+x) Mn(2-x) (4-y) (式中、0≦x≦0.333
3、−0.1≦y≦0.2)で表されるスピネル構造を
有する酸化物粉体の表面にLiV2 4 層を形成させる
方法(特開平2000−3709号公報)等が提案され
ている。
【0009】Mn原子の一部をCo、Ni、Cr、Fe
などの元素と置換してリチウムマンガン複合酸化物の結
晶構造を安定化させる方法は、マンガンの一部をCo、
Ni、Cr、Fe等で置換することで、格子定数を小さ
くさせ、結晶構造をより強固なものにすることで、結晶
構造の破壊による放電容量の低下を防ぐことが知られて
いる。
【0010】しかしながら、こうしたMnの一部をC
o、Ni、Cr、Fe等の元素と置換したリチウムマン
ガン複合酸化物に至っても、充放電サイクルの進行や放
置期間の長期化にともない、Mnイオンの溶出が起こ
り、表面を被覆したリチウムマンガン複合酸化物におい
ても、必ずしも十分な改善には至っていない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いた
時に、Mnイオンの溶出が少なく、電池性能、特に容量
維持率が高いリチウム二次電池の正極活物質として有用
なリチウムマンガン複合酸化物複合体、その製造方法、
これを含有する正極活物質および該正極活物質を用いる
リチウム二次電池を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】かかる実情において本発
明者らは鋭意検討を行った結果、特定構造式で表される
リチウムマンガン複合酸化物の表面に、特定構造のリチ
ウムマンガン複合酸化物の層が形成されているリチウム
マンガン複合酸化物複合体は、Mnイオンの溶出量が少
なく、更に、これをリチウム二次電池正極活物質として
用いることにより、電池性能、特に容量維持率、サイク
ル特性が優れたリチウム二次電池となることを知見し、
本発明を完成するに至った。
【0013】即ち、本発明は、下記一般式(1); Lix Mn2-y Mey 4-z (1) (式中、MeはMn以外の原子番号11以上の金属元素
又は遷移金属元素であり、xは0<x<2.0、yは0
<y<0.6、zは0≦z≦2.0の値をとる。)で表
されるリチウムマンガン複合酸化物の表面に、下記一般
式(2); Lia Mn2 4 (2) (式中、1<a≦1.2)で表されるリチウムマンガン
複合酸化物の層が形成されていることを特徴とするリチ
ウムマンガン複合酸化物複合体を提供するものである。
【0014】また、本発明は、(A)マンガン化合物を
900℃以上の温度に加熱処理してマンガン酸化物を
得、次いで、リチウム化合物、又はリチウム化合物及び
マンガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は遷移
金属化合物を混合し、焼成するか、あるいは(B)マン
ガン化合物とマンガンを除く原子番号11以上の金属化
合物又は遷移金属化合物を900℃以上の温度に加熱処
理し、次いで、リチウム化合物を混合し、焼成するかし
て前記一般式(1)で表されるリチウムマンガン複合酸
化物を得、得られたリチウムマンガン複合酸化物をマン
ガン成分含有水溶液に含浸させ、次いで、アルカリによ
り、該リチウムマンガン複合酸化物の表面にマンガン化
合物を析出させた後、乾燥し、次いで、得られるリチウ
ムマンガン複合酸化物とリチウム化合物とを混合し、焼
成を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項
に記載のリチウムマンガン複合酸化物複合体の製造方法
を提供するものである。
【0015】マンガン化合物とマンガンを除く原子番号
11以上の金属化合物又は遷移金属化合物を900℃以
上の温度に加熱処理してマンガン酸化物を得、得られた
マンガン酸化物をマンガン成分含有水溶液に含浸させ、
次いで、アルカリの添加により、該マンガン酸化物の表
面にマンガン化合物を析出させた後、乾燥し、次いで、
得られるマンガン酸化物で被覆されたマンガン酸化物と
リチウム化合物とを混合し、焼成を行うことを特徴とす
るリチウムマンガン複合酸化物複合体の製造方法を提供
するものである。
【0016】また、本発明は、上記リチウムマンガン複
合酸化物複合体を含むことを特徴とするリチウム二次電
池正極活物質を提供するものである。
【0017】また、本発明は、上記リチウム二次電池正
極活物質を用いることを特徴とするリチウム二次電池を
提供するものである。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明のリチウムマンガン複合酸
化物複合体は、前記一般式(1)で表されるリチウムマ
ンガン複合酸化物の表面に、前記一般式(2)で表され
るリチウムマンガン複合酸化物の層が形成されているこ
とを特徴とするものである。
【0019】なお、本発明に係るリチウムマンガン複合
酸化物複合体は、上記一般式(1)で示されるリチウム
マンガン複合酸化物の表面に上記一般式(2)で表され
るリチウムマンガン複合酸化物の層が形成されている複
合体であるが、調製過程又は使用時において、該リチウ
ムマンガン複合酸化物複合体から上記一般式(2)で表
されるリチウムマンガン複合酸化物が一部剥離して生じ
る粒状物を含有するものとなっても差し支えない。
【0020】上記一般式(1)で表されるリチウムマン
ガン複合酸化物は、前記一般式(1)中、MeはMn以
外の原子番号11以上の金属元素又は遷移金属元素によ
りMnの占めるサイトが置換されたスピネル構造を有す
るリチウムマンガン複合酸化物である。
【0021】上記一般式(1)において、MeはMn以
外の原子番号11以上の金属元素又は遷移金属元素であ
り、例えば、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バ
ナジウム、クロム、コバルト、鉄、銅、亜鉛、イットリ
ウム、ニオブ、モリブデン等が挙げられる。これらは、
1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。上
記一般式(1)で示されるリチウムマンガン複合酸化物
において、MeはMnの占めるサイトに必要により置換
されるものである。上記一般式(1)で示されるリチウ
ムマンガン複合酸化物のうち、Meが含まれたリチウム
マンガン複合酸化物、いわゆるMe置換体は、リチウム
二次電池におけるリチウムのインターカレーション・デ
インターカレーション反応をより円滑、且つより高電位
で行えるため好ましく、これらの置換体のうち、アルミ
ニウム原子置換体が特に好ましい。
【0022】本発明において、上記一般式(1)で表さ
れるリチウムマンガン複合酸化物の物性等は特に制限は
ないが、平均粒子径が通常0.1〜50μm 、好ましく
は1〜20μm 、さらに好ましくは4〜20μmであ
り、比表面積が通常0.1〜2.0m2 /g、好ましく
は、0.1〜1.0m2 /g、特に好ましくは0.3〜
0.7m2 /gである。
【0023】前記一般式(2)で表されるリチウムマン
ガン複合酸化物の式中、aは、通常1<a≦1.40の
範囲内であり、好ましくは1.02以上1.20以下で
あり、さらに好ましくは1.04以上1.14以下であ
る。この理由は、aが1以下であると、本発明のリチウ
ムマンガン複合酸化物複合体において、上記一般式
(1)で表されるリチウムマンガン複合酸化物のMnイ
オン溶出量が大きくなり、これを正極活物質とするリチ
ウム二次電池のサイクル特性や放電容量が減少するため
好ましくない。
【0024】本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合
体において、上記一般式(1)で表されるリチウムマン
ガン複合酸化物の含有量と上記一般式(2)で表される
リチウムマンガン複合酸化物の含有量との合計を100
重量%とすると、上記一般式(1)で表されるリチウム
マンガン複合酸化物の含有量は、95〜5重量%、好ま
しくは80〜20重量%であり、前記一般式(2)で表
されるリチウムマンガン複合酸化物の含有量は、通常5
〜95重量%であり、好ましくは20〜80重量%であ
る。前記一般式(2)で表されるリチウムマンガン複合
酸化物の含有量が5重量%未満では、上記一般式(1)
で表されるリチウムマンガン複合酸化物のMnイオン溶
出量を十分に低減させることが出来ず、一方、95重量
%を越えると、Mnイオンの溶出抑制効果が飽和するこ
とから実用的でない。
【0025】本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合
体中の、前記一般式(2)で表されるリチウムマンガン
複合酸化物の含有量(下記計算式中では、「含有量」と
略記)は、上記一般式(1)で表されるリチウムマンガ
ン複合酸化物及び本発明のリチウムマンガン複合酸化物
複合体の重量を用いて表すことができ、即ち下記計算式
により求められるものである。 含有量(%)=(B−A)× 100/B (3) A;上記一般式(1)で表されるリチウムマンガン複合
酸化物の重量(g) B;リチウムマンガン複合酸化物複合体の重量(g)
【0026】本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合
体の物性としては、平均粒子径が通常1.0〜30μm
、好ましくは5〜20μm であり、BET比表面積が
通常0.1〜2.0m2 /g、好ましくは0.4〜1.
0m2 /gであることが好ましい。
【0027】本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合
体は、上記一般式(1)で表されるリチウムマンガン複
合酸化物を製造する工程(以下、リチウムマンガン複合
酸化物製造工程という)、次いで第1工程及び第2工程
を経る第1製造方法、又はマンガン酸化物を製造する工
程(以下、マンガン酸化物製造工程という)、次いで第
1工程及び第2工程を経る第2製造方法により製造され
る。以下に、第1製造方法と、第2製造方法を詳細に説
明する。なお、上記第1製造方法と、上記第2製造方法
とは、リチウムマンガン複合酸化物製造工程と、マンガ
ン酸化物製造工程とが互いに異なっている。従って、リ
チウムマンガン複合酸化物製造工程と、マンガン酸化物
製造工程においてのみ、第1製造方法と、第2製造方法
を区別して記載し、第1工程及び第2工程においては、
異なる点のみ第1製造方法と第2製造方法を区別する記
載とする。
【0028】本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合
体の第1製造方法において、上記一般式(1)で表され
るリチウムマンガン複合酸化物は、例えば、以下のリチ
ウムマンガン複合酸化物製造工程により得ることができ
る。すなわち、(A)マンガン化合物を900℃以上の
温度に加熱処理してマンガン酸化物を得、次いで、リチ
ウム化合物、又はリチウム化合物及びマンガンを除く原
子番号11以上の金属化合物又は遷移金属化合物を混合
し、焼成するか、あるいは、(B)マンガン化合物とマ
ンガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は遷移金
属化合物を900℃以上の温度に加熱処理し、次いでリ
チウム化合物を混合し、焼成するかして下記一般式
(1)で示されるリチウムマンガン複合酸化物を得るも
のである。
【0029】原料としては、マンガン化合物、リチウム
化合物、及び必要に応じてマンガンを除く原子番号11
以上の金属化合物又は遷移金属化合物が用いられる。マ
ンガンを除く原子番号11以上の金属元素又は遷移金属
元素としては、例えば、マグネシウム、アルミニウム、
チタン、バナジウム、クロム、コバルト、鉄、銅、亜
鉛、イットリウム、ニオブ、モリブデン等が挙げられ
る。
【0030】マンガン化合物、リチウム化合物、及びマ
ンガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は遷移金
属化合物としては、工業的に入手できるものであればど
のようなものでもよいが、例えば、それぞれの金属の酸
化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩及び有機酸塩が挙げら
れる。具体的には、マンガン化合物としては、電解二酸
化マンガン及び化学合成二酸化マンガンが工業的に入手
し易く、安価であるため好ましい。また、リチウム化合
物としては、炭酸リチウムが工業的に入手し易く、安価
であるため好ましい。これらの原料は、いずれも製造履
歴は問わないが、高純度リチウムマンガン複合酸化物を
製造するために、可及的に不純物含有量が少ないもので
あることが好ましい。また、マンガン化合物及びリチウ
ム化合物は、それぞれの化合物を1種又は2種以上組み
合わせて用いることができる。また、マンガンを除く原
子番号11以上の金属化合物又は遷移金属化合物は、上
記例示金属の化合物を1種又は2種以上組み合わせて用
いることができる。
【0031】上記一般式(1)で表されるリチウムマン
ガン複合酸化物の製造方法において、マンガン化合物、
又はマンガン化合物とマンガンを除く原子番号11以上
の金属化合物又は遷移金属化合物は、他の化合物と混合
し焼成する前に900℃以上、好ましくは940℃以
上、さらに好ましくは1000〜1200℃に所定時間
加熱処理される(以後、「粒子成長加熱処理」とも言
う。)。加熱処理は、焼成前の少なくとも一度において
加熱処理されればよく、焼成前の二度、またはそれ以上
加熱処理されてもよい。
【0032】マンガン化合物は、加熱処理しない通常の
状態においては、粒径が0.1〜20μm程度で、且
つ、粒度分布が1μm未満の微小粒子によるピークと1
μ以上の粒子によるピークとの複数のピークを有するブ
ロードなものになっている。しかし、本発明の加熱処理
により、微小粒子が成長して1μm未満の微小粒子が実
質的に存在しなくなると共に粒子径が大きくなるため、
粒径が2〜100μm程度で、且つ粒度分布が2μm以
上の粒子による1つのピークのみの極めてシャープなも
のになる。上記加熱処理の温度は900℃未満であると
ほとんど粒子成長しないため好ましくない。また、該温
度が1200℃を越えると、マンガン化合物が燒結し粒
径の制御が困難になるため好ましくない。粒子成長加熱
処理の時間は、0.5〜24時間、好ましくは1〜20
時間、さらに好ましくは5〜12時間である。なお、加
熱処理の時間が1時間以上になるとマンガン化合物の粒
子の成長が略飽和するが、その後も上記温度範囲内で保
持し続けると粒子表面が滑らかになるため好ましい。
【0033】上記一般式(1)で表されるリチウムマン
ガン複合酸化物の製造方法においては、例えば、まず、
上記のマンガン化合物、リチウム化合物、及び必要であ
ればマンガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は
遷移金属化合物を混合する。混合は、乾式又は湿式のい
ずれの方法でもよいが、製造が容易であるため乾式が好
ましい。乾式混合の場合は、原料が均一に混合するよう
なブレンダーを用いることが好ましい。また、湿式混合
の場合、例えば、リチウム塩水溶液にマンガン塩を添加
混合して攪拌したり、又はリチウム塩水溶液にマンガン
塩とマンガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は
遷移金属化合物とを添加混合して攪拌したりすることが
好ましい。なお、湿式混合の場合、混合後は水分を除去
して乾燥した混合物とすることが好ましい。
【0034】次に混合物を焼成する。焼成条件は、リチ
ウムマンガン複合酸化物を製造可能な温度で行えばよ
く、焼成温度は500〜1100℃、好ましくは700
℃〜900℃である。また、焼成時間は、1〜24時
間、好ましくは10〜20時間である。焼成は、大気中
又は酸素雰囲気中のいずれで行ってもよく、特に制限さ
れない。
【0035】焼成後は、適宜冷却し、必要に応じ粉砕し
て上記一般式(1)で表されるリチウムマンガン複合酸
化物を得る。なお、必要に応じ行われる粉砕は、焼成し
て得られるリチウムマンガン複合酸化物がもろく結合し
たブロック状のものである場合などに適宜行うが、リチ
ウムマンガン複合酸化物の粒子自体は上記特定の平均粒
子径、BET比表面積を有するものである。得られたリ
チウムマンガン複合酸化物は、平均粒子径が0.1〜5
0μm、好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは4
〜20μmであり、ロジン・ラムラーによるn値が好ま
しくは3.5以上、さらに好ましくは4.0〜6.0で
あり、BET比表面積が0.1〜2.0m2 /g、好ま
しくは、0.1〜1m2 /g、さらに好ましくは0.3
〜0.7m2 /gである。また、安息角が通常60°以
下、好ましくは40〜60°、さらに好ましくは51〜
59°である。
【0036】以下、第2製造方法のマンガン酸化物製造
工程について述べる。原料としては、マンガン化合物、
及びマンガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は
遷移金属化合物が用いられる。これらは、第1の製造方
法で使用するものと同様の化合物が挙げられるが、マン
ガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は遷移金属
化合物の好ましいものとしては、アルミニウム化合物が
挙げられる。
【0037】マンガン酸化物製造工程においては、例え
ば、まず、上記のマンガン化合物、及びマンガンを除く
原子番号11以上の金属化合物又は遷移金属化合物を混
合する。混合は、乾式又は湿式のいずれの方法でもよい
が、製造が容易であるため乾式が好ましい。乾式混合の
場合は、原料が均一に混合するようなブレンダーを用い
ることが好ましい。なお、湿式混合の場合、混合後は水
分を除去して乾燥した混合物とすることが好ましい。
【0038】マンガン化合物、又はマンガン化合物とマ
ンガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は遷移金
属化合物は、他の化合物と混合し焼成する前に900℃
以上、好ましくは940℃以上、さらに好ましくは10
00〜1200℃に所定時間加熱処理され、本発明のリ
チウムマンガン複合酸化物複合体の原料であるマンガン
酸化物が得られる。加熱処理は、少なくとも一度加熱処
理されればよく、二度またはそれ以上加熱処理されても
よい。該加熱処理としては、第1製造方法の粒子成長加
熱処理と同様の方法が挙げられる。
【0039】また、マンガン酸化物製造工程で得られた
マンガン酸化物は、下記の第1工程及び第2工程におい
て、1μm未満の微小粒子が実質的に存在しない粒径が
2〜100μm程度で、且つ粒度分布が2μm以上の粒
子によるピークのみの極めてシャープなものを用いるこ
とが好ましい。
【0040】本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合
体は、上記一般式(1)で表されるリチウムマンガン複
合酸化物、又は上記マンガン酸化物を、マンガン成分含
有水溶液に含浸し、次いで、アルカリを添加することに
より、該リチウムマンガン複合酸化物又は該マンガン酸
化物の表面に難水溶性のマンガン化合物を析出させ、次
いで、乾燥する第一工程、乾燥後のマンガン成分含有リ
チウムマンガン複合酸化物又は乾燥後のマンガン成分含
有マンガン酸化物とリチウム化合物とを混練し、焼成す
る第二工程を施すことにより製造することができる。以
下に第一工程及び第二工程について記載するが、第1製
造方法と第2製造方法について特に記載のない場合、両
製造方法の工程は同一である。
【0041】第一工程で用いるマンガン成分含有水溶液
は、マンガン化合物を水に溶解させた水溶液であり、前
記マンガン化合物としては、水に溶解するものであれば
特に限定はなく、例えば、硫酸マンガン、硝酸マンガ
ン、塩化マンガン、酢酸マンガン等が挙げられ、これら
のうち、1種又は2種以上を使用することができる。こ
れらの中、工業的に入手しやすい硫酸マンガンが好まし
い。該マンガン成分含有水溶液のマンガンイオンの濃度
は、0.01〜3.0モル/L、好ましくは0.1〜
1.0モル/Lとすることが好ましい。
【0042】アルカリとしては、特に限定はなく、水酸
化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、炭酸ナト
リウム、炭酸カリウム等が挙げられる。アルカリの濃度
は、マンガン化合物を析出させるのに十分な量でよく、
マンガン化合物に対して通常1.0〜2.0モル、好ま
しくは1.2〜1.4モルである。含浸温度は、通常1
0〜80℃、好ましくは20〜60℃であり、含浸時間
は1〜20時間、好ましくは2〜10時間である。
【0043】含浸による反応終了後、濾過、洗浄、乾燥
する。濾過、洗浄によりリチウムマンガン複合酸化物製
造工程で得られたリチウムマンガン複合酸化物又はマン
ガン酸化物製造工程で得られたマンガン酸化物の表面
に、水酸化マンガン、オキシ水酸化マンガン、酸化マン
ガン等の難不溶性のマンガン化合物が析出したマンガン
成分含有リチウムマンガン複合酸化物又はマンガン成分
含有マンガン酸化物を得ることが出来る。乾燥は、通常
200〜900℃、好ましくは500〜800℃で行う
ことが好ましく、該乾燥により、前記一般式(1)で表
されるリチウムマンガン複合酸化物又は上記マンガン酸
化物の表面に析出した難不溶性のマンガン化合物は、M
2 3 となる。
【0044】第二工程は、第一工程で得られた表面にM
2 3 を含有するリチウムマンガン複合酸化物又は表
面にMn2 3 を含有するマンガン酸化物とリチウム化
合物とを混合し、焼成を行って、本発明のリチウムマン
ガン複合酸化物複合体を得る工程である。
【0045】原料となるリチウム化合物としては、特に
限定はないが、例えば、リチウム金属、水酸化リチウ
ム、酸化リチウム、炭酸リチウム、ヨウ化リチウム、硝
酸リチウム、シュウ酸リチウム、アルキルリチウム等が
挙げられるが炭酸リチウムが工業的に入手し易いことか
ら好ましい。リチウム化合物の添加量は、第1製造方法
においては、マンガン成分含有水溶液から、マンガン成
分含有リチウムマンガン複合酸化物に析出した難溶解性
マンガン化合物中のマンガン1モルに対して、リチウム
原子として0.5〜0.6モル、好ましくは0.52〜
0.57モルであり、一方、第2製造方法においては、
原料のマンガン酸化物中のマンガン及びマンガン成分含
有マンガン酸化物に析出した難溶解性マンガン化合物中
のマンガンを合計したマンガン1モルに対して、リチウ
ム原子として0.5〜0.6モル、好ましくは0.52
〜0.57モルである。この理由は、両製造方法におい
て、0.50モル未満になると、サイクル特性が劣化す
るため好ましくなく、一方、0.60モルを越えると、
溶出抑制効果が飽和し、放電容量が減少するため好まし
くない。
【0046】混合は、乾式混合で行えばよく、例えば、
表面にMn2 3 を含有するリチウムマンガン複合酸化
物又は表面にMn2 3 を含有するマンガン酸化物とリ
チウム化合物とが均一に混合するようなブレンダーを用
いることができる。
【0047】次に、混合物を焼成する。焼成条件は、表
面にMn2 3 を含有するリチウムマンガン複合酸化物
又は表面にMn2 3 を含有するマンガン酸化物を焼成
可能な温度で行えばよく、焼成温度は通常、500〜1
100℃、好ましくは700〜900℃である。また、
焼成時間は、1〜48時間、好ましくは10〜20時間
である。焼成は、大気中又は酸素雰囲気中又は不活性雰
囲気中のいずれで行ってもよく、特に制限されない。
【0048】かくすることにより、前記一般式(1)で
表されるリチウムマンガン複合酸化物の表面に前記一般
式(2)で表されるリチウムマンガン複合酸化物層を有
する本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合体が得ら
れる。
【0049】焼成後は、適宜冷却し、必要に応じ粉砕し
てリチウムマンガン複合酸化物複合体を得る。
【0050】このようにして得られる本発明のリチウム
マンガン複合酸化物複合体は、Mnイオンの溶出がほと
んどないことからリチウム二次電池の正極活物質として
好適に使用することができる。
【0051】本発明に係るリチウム二次電池正極活物質
には、上記リチウムマンガン複合酸化物複合体が用いら
れる。正極活物質は、後述するリチウム二次電池の正極
合剤、すなわち、正極活物質、導電剤、結着剤、及び必
要に応じてフィラー等とからなる正極合剤の一原料であ
る。本発明に係るリチウム二次電池正極活物質は、上記
リチウムマンガン複合酸化物複合体からなるため、他の
原料と共に混合して正極合剤を調整する際に混練が容易
であり、また、得られた正極合剤を正極集電体に塗布す
る際の塗工性が容易になる。
【0052】本発明に係るリチウム二次電池は、上記リ
チウム二次電池正極活物質を用いるものであり、正極、
負極、セパレータ、及びリチウム塩を含有する非水電解
質からなる。正極は、例えば、正極集電体上に正極合剤
を塗布乾燥等して形成されるものであり、正極合剤は正
極活物質、導電剤、結着剤、及び必要により添加される
フィラー等からなる。本発明に係るリチウム二次電池
は、正極に正極活物質であるリチウムマンガン複合酸化
物複合体が均一になるように塗布されている。このた
め、正極に局所的に電流が集中することがなく、放電容
量の容量維持率が高い。
【0053】正極集電体としては、構成された電池にお
いて化学変化を起こさない電子伝導体であれは特に制限
されるものでないが、例えば、ステンレス鋼、ニッケ
ル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、アルミニウムや
ステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀
を表面処理させたもの等が挙げられる。
【0054】導電剤としては、例えば、天然黒鉛及び人
工黒鉛等の黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラッ
ク、炭素繊維や金属、ニッケル粉等の導電性材料が挙げ
られ、天然黒鉛としては、例えば、鱗状黒鉛、鱗片状黒
鉛及び土状黒鉛等が挙げられる。これらは、1種又は2
種以上組み合わせて用いることができる。導電剤の配合
比率は、正極合剤中、1〜50重量%、好ましくは2〜
30重量%である。
【0055】結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニ
リデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセル
ロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロー
ス、ジアセチルセルロース、ポリビニルピロリドン、エ
チレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPD
M)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、
フッ素ゴム、ポリエチレンオキシドなどの多糖類、熱可
塑性樹脂、ゴム弾性を有するポリマー等が挙げられ、こ
れらは1種または2種以上組み合わせて用いることがで
きる。結着剤の配合比率は、正極合剤中、2〜30重量
%、好ましくは5〜15重量%である。
【0056】フィラーは正極合剤において正極の体積膨
張等を抑制するものであり、必要により添加される。フ
ィラーとしては、構成された電池において化学変化を起
こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる
が、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフ
ィン系ポリマー、ガラス、炭素等の繊維が用いられる。
フィラーの添加量は特に限定されないが、正極合剤中、
0〜30重量%が好ましい。
【0057】負極は、負極集電体上に負極材料を塗布乾
燥等して形成される。負極集電体としては、構成された
電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれは
特に制限されるものでないが、例えば、ステンレス鋼、
ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、焼成炭素、銅や
ステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀
を表面処理させたもの、及び、アルミニウム−カドミウ
ム合金等が挙げられる。
【0058】負極材料としては、特に制限されるもので
はないが、例えば、炭素質材料や金属複合酸化物、リチ
ウム金属、リチウム合金等が挙げられる。炭素質材料と
しては、例えば、難黒鉛化炭素材料、黒鉛系炭素材料等
が挙げられる。金属複合酸化物としては、例えば、Sn
p 1 1-p2 q r (式中、M1 はMn、Fe、Pb及
びGeから選ばれる1種以上の元素を示し、M2 はA
l、B、P、Si、周期律表第1族、第2族、第3族及
びハロゲン元素から選ばれる1種以上の元素を示し、0
<p≦1、1≦q≦3、1≦r≦8を示す。)等の化合
物が挙げられる。
【0059】セパレータとしては、大きなイオン透過度
を持ち、所定の機械的強度を持った絶縁性の薄膜が用い
られる。耐有機溶剤性と疎水性からポリプロピレンなど
のオレフィン系ポリマーあるいはガラス繊維あるいはポ
リエチレンなどからつくられたシートや不織布が用いら
れる。セパレーターの孔径としては、一般的に電池用と
して有用な範囲であればよく、例えば、0.01〜10
μm である。セパレターの厚みとしては、一般的な電池
用の範囲であればよく、例えば5〜300μmてある。
なお、後述する電解質としてポリマーなどの固体電解質
が用いられる場合には、固体電解質がセパレーターを兼
ねるようであってもよい。また、放電や充放電特性を改
良する目的で、ピリジン、トリエチルフォスファイト、
トリエタノールアミン等の化合物を電解質に添加しても
よい。
【0060】リチウム塩を含有する非水電解質は、非水
電解質とリチウム塩とからなるものである。非水電解質
としては、非水電解液又は有機固体電解質が用いられ
る。非水電解液としては、例えば、N−メチル−2−ピ
ロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボ
ネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネー
ト、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,
2−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン、2−
メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、
1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルム
アミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタ
ン、蟻酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、ト
リメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、
3−メチル−2−オキサゾジノン、プロピレンカーボネ
ート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、ジエチルエー
テル、1,3−プロパンサルトン等の非プロトン性有機
溶媒の1種または2種以上を混合した溶媒が挙げられ
る。
【0061】有機固体電解質としては、例えば、ポリエ
チレン誘導体又はこれを含むポリマー、ポリプロピレン
オキサイド誘導体又はこれを含むポリマー、リン酸エス
テルポリマー等が挙げられる。リチウム塩としては、上
記非水電解質に溶解するものが用いられ、例えば、Li
ClO4 、LiBF4 、LiPF6 、LiCF3
3 、LiCF3 CO2 、LiAsF6 、LiSb
6 、LiB10Cl10、LiAlCl4 、クロロボラン
リチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、四フェニル
ホウ酸リチウム等の1種または2種以上を混合した塩が
挙げられる。
【0062】その他、本発明の電解液には、例えば、ピ
リジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミ
ン、環状エーテル、エチレンジアミン、n−グライム、
ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫
黄、キノンイミン染料、N−置換オキサゾリジノンと
N,N−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジア
ルキルエーテル、アンモニウム塩、ポリエチレングルコ
ール、ピロール、2−メトキシエタノール、三塩化アル
ミニウム、導電性ポリマー電極活物質のモノマー、トリ
エチレンホスホンアミド、トリアルキルホスフィン、モ
ルフォリン、カルボニル基を持つアリール化合物、ヘキ
サメチルホスホリックトリアミドと4−アルキルモルフ
ォリン、二環性の三級アミン、オイル、ホスホニウム
塩、三級スルホニウム塩、ホスファゼン、リン酸エステ
ル、炭酸エステル等の通常用いられる添加剤が含有され
ていてもよい。
【0063】電池の形状はボタン、シート、シリンダ
ー、角等いずれにも適用できる。本発明に係るリチウム
二次電池の用途は、特に限定されないが、例えば、ノー
トパソコン、ラップトップパソコン、ポケットワープ
ロ、携帯電話、コードレス子機、ポータブルCDプレー
ヤー、ラジオ等の電子機器、自動車、電動車両、ゲーム
機器等の民生用電子機器が挙げられる。
【0064】
【実施例】次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的
に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限
するものではない。
【0065】参考例1 平均粒径3.2μmの電解合成二酸化マンガン10.0
gと平均粒径1.0μmの水酸化アルミニウム0.55
gを混合し、1000℃で12時間加熱処理し、冷却し
た。次いで、該加熱処理物と平均粒径3.2μmの電解
合成二酸化マンガン10gと平均粒径1.0μmの水酸
化アルミニウム0.55gを混合し、1000℃で12
時間加熱処理し、冷却した。次いで該加熱処理物を65
0℃で8時間加熱処理し、冷却した。該加熱処理した電
解合成二酸化マンガンに平均粒径3.0μmの炭酸リチ
ウム4.48gを添加混合してアルミニウムるつぼに入
れ、900℃で12時間空気雰囲気下で焼成し、冷却し
た。得られたAl置換リチウムマンガン複合酸化物は、
X線回析でスピネル構造を有するLiMn2 4 である
ことが確認された。この化合物の平均粒子径は8.1μ
m、ロジン・ラムラーn値は3.21、BET比表面積
0.68m2 /g、及び安息角58.3°であった。得
られたAl置換リチウムマンガン複合酸化物の主要な物
性を表1に示す。また、該Al置換リチウムマンガン複
合酸化物は、下記のMnイオンの溶出試験におけるMn
溶出量を求めた。結果を表1に示す。
【0066】<Mnイオンの溶出試験>リチウムマンガ
ン複合酸化物(試料)0.5gを120℃で3日間真空
乾燥する。次いで、エチレンカーボネートとジエチルカ
ーボネートを体積比で1:1に混合した溶液にLiPF
6 を1mol/Lの濃度で溶解させた溶液を該試料に1
0ml添加し密閉する。次いで、密閉したままの状態で
60℃で24時間放置し、溶液を濾過した後、ろ液1g
にエタノール10mlを加え、更に超純水で50mlに
希釈したものをICP 法によりMn濃度を測定する。
【0067】実施例1 MnSO4 ・5H2 O5.0g を超純水500mlに溶
解し、その中に参考例1で調製したAl置換したLiM
2 4 20g を添加し、攪拌しながら0.1NのNa
OH水溶液を滴下した。pHが11になるまで滴下し、
得られた沈殿物を濾別、十分に洗浄した後600℃で乾
燥した。乾燥後の重量は21.3g であった。この粉末
にLi2 CO3 0.33g を添加混合してアルミナるつ
ぼに入れ、900℃で12時間空気雰囲気下で焼成し、
リチウムマンガン複合酸化物複合体21.5gを得た。
得られたリチウムマンガン複合酸化物複合体の物性及
び、上記一般式(2)で表されるリチウムマンガン複合
酸化物の含有量及びMnイオンの溶出試験を行った。そ
の結果を表1に併載する。また、上記一般式(2)で表
されるリチウムマンガン複合酸化物の含有量は上記一般
式(3)により求めた。なお、上記一般式(3)式中の
記号Aは、参考例1のリチウムマンガン複合酸化物の重
量(g)である。
【0068】実施例2 MnSO4 ・5H2 O 50g を超純水500mlに溶
解し、その中に参考例1で調製したAl置換したLiM
2 4 20gを添加し、攪拌しながら0.1NのNa
OH水溶液を滴下した。pHが11になるまで滴下し、
得られた沈殿物を濾別、十分に洗浄した後600℃で乾
燥した。乾燥後の重量は33.9g であった。この粉末
にLi2 CO3 3.5g を添加混合してアルミナるつぼ
に入れ、900℃で12時間空気雰囲気下で焼成し、リ
チウムマンガン複合酸化物複合体36.0gを得た。得
られたリチウムマンガン複合酸化物複合体の物性、上記
一般式(2)で表されるリチウムマンガン複合酸化物の
含有量、及びMnイオンの溶出試験の結果を表1に併載
する。
【0069】実施例3 平均粒径3.2μm の電解合成二酸化マンガン20.0
gと平均粒径1.0μmの水酸化アルミニウム1.11
gを混合し、1000℃で12時間加熱処理し、冷却し
た。次いで、MnSO4 ・5H2 O 50g を超純水5
00mlに溶解し、その中に該加熱処理した電解合成二
酸化マンガンを添加し、攪拌しながら0.1NのNaO
H水溶液を滴下した。pH11になるまで滴下し、得ら
れた沈殿物を濾別、十分に洗浄した後600℃で乾燥し
た。乾燥後の重量は31.7g であった。次いで、Li
2 CO3 7.9g を添加混合してアルミナるつぼに入
れ、900℃で12時間空気雰囲気下で焼成し、リチウ
ムマンガン複合酸化物複合体33.5gを得た。得られ
たリチウムマンガン複合酸化物複合体の物性、上記一般
式(2)で表されるリチウムマンガン複合酸化物の含有
量、及びMnイオンの溶出試験の結果を表1に併載す
る。
【0070】
【表1】
【0071】表1の結果より、Mnの一部をアルミニウ
ム置換したリチウムマンガン複合酸化物は、Mnイオン
の溶出量が多いのに対して、本発明のリチウムマンガン
複合酸化物複合体は、Mnイオンの溶出量が、低く抑え
られていることがわかる。
【0072】実施例4 <電池性能の評価> (1)リチウム二次電池の作製 実施例1で調製したリチウムマンガン複合酸化物複合体
試料70重量%、黒鉛粉末20重量%、ポリフッ化ビニ
リデン10重量%混合して正極合剤とし、これをN−メ
チル−2−ピロリジノンに分散させて混練ペーストを調
製した。該混練ペーストをアルミ箔に塗布した後、乾
燥、プレスして直径15mmの円盤に打ち抜いて正極板を
得た。この正極板を用いて、セパレーター、負極、集電
板、取り付け金具、外部端子、電解液等の各部材を用い
てリチウム二次電池を作製した。負極は、結晶化度の高
いカーボンを用い、電解液にはジエチルカーボネートと
エチレンカーボネートの1:1混合液1リットルにLi
PF6 を溶解したものを使用した。得られたリチウム二
次電池を50℃で作動させ、容量維持率を測定した。
【0073】(2)リチウム二次電池の評価方法 ・放電容量の測定及び容量維持率の算出 50℃にて正極に対して0.5mA/cm2で4.3V まで充
電した後、3.5V まで放電させる充放電を1サイクル
行い、放電容量を測定した。次いで、上記放電容量の測
定における充放電を20サイクル行い、下記式により容
量維持率を算出した。 容量維持率(%)=(20サイクル目の放電容量)×1
00/(1サイクル目の放電容量)
【0074】実施例5 実施例1で調製したリチウムマンガン複合酸化物複合体
試料70重量%の代わりに、実施例2で調製したリチウ
ムマンガン複合酸化物複合体試料70重量%を用いた以
外は、実施例4と同様にしてリチウム二次電池の作製
し、放電容量及び容量維持率の測定を行った。結果を表
2に併載する。
【0075】実施例6 実施例1で調製したリチウムマンガン複合酸化物複合体
試料70重量%の代わりに、実施例3で調製したリチウ
ムマンガン複合酸化物複合体試料70重量%を用いた以
外は、実施例4と同様にしてリチウム二次電池の作製
し、放電容量及び容量維持率の測定を行った。結果を表
2に併載する。
【0076】参考例2 実施例1で調製したリチウムマンガン複合酸化物複合体
試料70重量%の代わりに、参考例1で調製したAl置
換したLiMn2 4 を試料として70重量%用いた以
外は、実施例4と同様な操作でリチウム二次電池を作成
し、放電容量及び容量維持率を測定した。結果を表2に
併載する。
【0077】
【表2】
【0078】表2の結果より、本発明のリチウムマンガ
ン複合酸化物複合体を正極活物質として用いたリチウム
二次電池は、正極活物質からのマンガンイオン溶出が抑
制させているので、容量維持率が高いことが解る。
【0079】
【発明の効果】上記したとおり、本発明のリチウムマン
ガン複合酸化物複合体は、Mnイオンの溶出が少なく、
また本発明のリチウムマンガン複合酸化物複合体をリチ
ウム二次電池の正極活物質として用いたリチウム電池
は、電池性能、特に容量維持率が高くなるという効果を
奏する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G048 AA04 AB02 AC06 AD03 AE05 5H029 AJ03 AK03 AK19 AL03 AL06 AL07 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 AM16 CJ02 CJ08 CJ23 HJ01 HJ02 HJ07 HJ14 5H050 AA08 BA17 CA09 CA29 FA18 GA02 GA10 GA23 GA26 HA01 HA02 HA07 HA14

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記一般式(1); Lix Mn2-y Mey 4-z (1) (式中、MeはMn以外の原子番号11以上の金属元素
    又は遷移金属元素であり、xは0<x<2.0、yは0
    <y<0.6、zは0≦z≦2.0の値をとる。)で表
    されるリチウムマンガン複合酸化物の表面に、下記一般
    式(2); Lia Mn2 4 (2) (式中、1<a≦1.2)で表されるリチウムマンガン
    複合酸化物の層が形成されていることを特徴とするリチ
    ウムマンガン複合酸化物複合体。
  2. 【請求項2】 前記リチウムマンガン複合酸化物複合体
    は、前記一般式(1)で表されるリチウムマンガン複合
    酸化物が95〜5重量%、前記一般式(2)で表される
    リチウムマンガン複合酸化物が5〜95重量%含有され
    ていることを特徴とする請求項1記載のリチウムマンガ
    ン複合酸化物複合体。
  3. 【請求項3】 前記リチウムマンガン複合酸化物複合体
    は、BET比表面積が0.1〜2.0m2 /gである請
    求項1又は2記載のリチウムマンガン複合酸化物複合
    体。
  4. 【請求項4】 前記一般式(1)で表されるリチウムマ
    ンガン複合酸化物の式中のMeは、アルミニウム原子で
    ある請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムマン
    ガン複合酸化物複合体。
  5. 【請求項5】 (A)マンガン化合物を900℃以上の
    温度に加熱処理してマンガン酸化物を得、次いで、リチ
    ウム化合物、又はリチウム化合物及びマンガンを除く原
    子番号11以上の金属化合物又は遷移金属化合物を混合
    し、焼成するか、あるいは(B)マンガン化合物とマン
    ガンを除く原子番号11以上の金属化合物又は遷移金属
    化合物を900℃以上の温度に加熱処理し、次いで、リ
    チウム化合物を混合し、焼成するかして前記一般式
    (1)で表されるリチウムマンガン複合酸化物を得、得
    られたリチウムマンガン複合酸化物をマンガン成分含有
    水溶液に含浸させ、次いで、アルカリの添加により、該
    リチウムマンガン複合酸化物の表面にマンガン化合物を
    析出させた後、乾燥し、次いで、得られるリチウムマン
    ガン複合酸化物とリチウム化合物とを混合し、焼成を行
    うことを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物複合体
    の製造方法。
  6. 【請求項6】 マンガン化合物とマンガンを除く原子番
    号11以上の金属化合物又は遷移金属化合物を900℃
    以上の温度に加熱処理してマンガン酸化物を得、得られ
    たマンガン酸化物をマンガン成分含有水溶液に含浸さ
    せ、次いで、アルカリの添加により、該マンガン酸化物
    の表面にマンガン化合物を析出させた後、乾燥し、次い
    で、得られるマンガン酸化物で被覆されたマンガン酸化
    物とリチウム化合物とを混合し、焼成を行うことを特徴
    とするリチウムマンガン複合酸化物複合体の製造方法。
  7. 【請求項7】 請求項1〜3のいずれか1項に記載のリ
    チウムマンガン複合酸化物複合体を含有することを特徴
    とするリチウム二次電池正極活物質。
  8. 【請求項8】 請求項7記載のリチウム二次電池正極活
    物質を正極活物質として用いたことを特徴とするリチウ
    ム二次電池。
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