JP2002274853A - リチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法、並びにその用途 - Google Patents
リチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法、並びにその用途Info
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Abstract
ンドリング並びに集電体への塗工性が良好なリチウムマ
ンガン複合酸化物と、これを粉砕工程や繰り返し熱処理
無しに安価に製造する方法、及び該リチウムマンガン複
合酸化物を用いた正極活物質、並びに該正極活物質を用
いた高性能なリチウム二次電池を提供する。 【解決手段】 本発明に係わるリチウムマンガン複合酸
化物は、一次粒子が集合して粒径が1〜100μmの球
状二次粒子を形成し、比表面積が0.1〜10m 2/g
であって、前記二次粒子投影像の円形度が0.90以上
である。これを正極活物質として使用してリチウム二次
電池を製造する。
Description
の活物質として有用なリチウムマンガン複合酸化物及び
その製造方法、並びにそれを用いたリチウム二次電池に
関するものである。
物質は主にLiCoO2が使用されているが、Co材料
は材料コスト、埋蔵量及び環境規制の問題があり、将来
の量産化、大型化に伴って深刻化する恐れがあり、また
LiCoO2は過充電時に結晶崩壊の恐れがあり、過充
電防止の保護回路が必要になる等、安全性に課題を抱え
ていた。しかしながら、近年Co材料に代わって材料コ
ストや埋蔵量の点で有利なMn材料が注目され始め、特
にLiCoO2に代わる同じ4V級材料として一般式L
ixMnYO4で表されるマンガン酸リチウムが検討され
るようになった。
造のLiMn2O4がある。スピネル型LiMn2O4は過
充電に対して結晶が崩壊しにくく、保護回路を簡略化で
きる等の有利な点があるが、リチウムコバルト酸化物や
リチウムニッケル酸化物に比べエネルギー密度が劣ると
されている。一方、近年のIT技術の進歩により携帯電
話やモバイル機器も小型、軽量化が進み、その電源であ
る電池にも小型、軽量、高エネルギー密度化が求められ
るようになってきた。高エネルギー密度化のためには、
それに使用される電極材料の電気容量の増大と充填密度
の向上が必要不可欠である。電極材料の電気容量の増大
には均一組成の合成物を得る必要があり、充填密度の向
上には粒子を微細化する必要がある。
的に固相反応の合成では緻密で粒子の大きい原料を使用
し、熱処理や機械的粉砕を繰り返すことで、組成が均一
で充填性が高いLiMn2O4を得る方法が用いられてい
る(例えば特開平8−2921号公報)。しかしなが
ら、従来の製造方法により得られたリチウムマンガン複
合酸化物は形状が不均一で粒度分布が広い為に、緻密で
平滑な電極層を形成することが困難である。また導電剤
や結着剤との混合時にハンドリングが悪く、均一な混合
が困難である。
で充填性に優れ、電極作製時のハンドリング並びに集電
体への塗工性が良好なリチウムマンガン複合酸化物と、
これを粉砕工程や繰り返し熱処理無しに安価に製造する
方法、及び該リチウムマンガン複合酸化物を用いた正極
活物質、並びに該正極活物質を用いた高性能なリチウム
二次電池を提供することを課題とする。
達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の方法で生成し
たリチウムマンガン複合酸化物が特定の形状、寸法を有
する二次粒子を形成し、このリチウムマンガン複合酸化
物が電極作製時のハンドリング並びに集電体への塗工性
が良く、且つLi金属を負極とした電池特性評価におい
ても、初期放電容量が大きいことを見出し、本発明を完
成させた。
酸化物は、一次粒子が集合して粒径が1〜100μmの
球状二次粒子を形成し、比表面積が0.1〜10m2/
gであって、前記二次粒子投影像の円形度が0.90以
上であることを特徴とする。
いて、その主成分が化学式LiaMnbO4(a、bはモ
ル数で1.0≦a≦1.2、1.5≦b≦2.0であ
る)であってもよい。
物において、その主成分が化学式LiaMnbMcO4(M
はMg、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、C
u、Znから選ばれる一種以上であり、a、b、cはモ
ル数で1.0≦a≦1.2、1.5≦b≦2.0、0<
c≦0.5である)で表されるものであってもよい。
電解MnO2を熱処理して得られるMn2O3と、水溶性
リチウム化合物をLi/Mnモル比が0.5〜0.6で
湿式混合する工程と該混合液を球状のリチウムマンガン
複合酸化物に乾燥した後、500〜900℃で熱処理す
る工程とからなることを特徴とする。
式混合時にMg、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、
Ni、Cu、Znから選ばれる一種以上の酸化物または
水酸化物を添加してもよい。
酸化物を正極活物質として用いた場合、充放電特性の優
れた電池用正極を作製することができる。
金属を負極としたリチウム二次電池を作製することがで
き、前記方法により作製したコイン電池は少なくとも初
期放電容量120mAh/g以上、または50サイクル
目の容量維持率が90%以上を示すことができる。
化物においては、一次粒子が集合して1〜100μmの
球状の二次粒子を形成し、比表面積が0.1〜10m2
/gであるが、元となる一次粒子の粒径は0.1〜20
μm程度が良い。20μmを超えると円形度0.90以
上の球状二次粒子の形成が困難となり、電池特性も十分
なものが得られない。また0.1μm未満だと、球形二
次粒子は形成されるが、十分な充放電容量が得られない
ので好ましくない。
不揃いのものに比べて電極作製時のハンドリングが良好
となり、導電剤や結着剤との均一混合が可能になるため
である。また電極合剤の塗料を作製する際、分散性が良
好となり、ひいては集電体上への塗工性が容易で塗膜表
面の平滑性が優れる。
主成分がLiMn2O4であるが、これは粉末X線回折図
においてLiMn2O4のメインピークである4.77A
を検出することにより確認できる。
物は、サイクル特性改善のために、化学式LiaMnbO
4またはLiaMnbMcO4(MはMg、Al、Ti、
V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる
一種以上であり、a、b、cはモル数で1.0≦a≦
1.2、1.5≦b≦2.0、0<c≦0.5である)
であることが好ましく、前記化学式の範囲内でLiとM
nのモル比の変更やMによる元素置換を行う。この範囲
外でLiとMnのモル比を変更したり、Mによる元素置
換を行うと、Li2MnO3等の不純成分が生成し、電池
特性の容量劣化をもたらす原因ともなるので好ましくな
い。
造方法は、電解MnO2または電解MnO2を熱処理して
得られるMn2O3と、水溶性リチウム化合物を特定の割
合で湿式混合し、該混合物を乾燥させて球状粒子とした
後、熱処理することを特徴とする。
ては、水酸化リチウム、水酸化リチウム・1水和物、酸
化リチウム、炭酸水素リチウム、炭酸リチウム等を挙げ
ることができるが、水への溶解度の大きい水酸化リチウ
ムまたは水酸化リチウム・1水和物がより好ましい。
理して得られるMn2O3と、水酸化リチウムの混合比
は、Li/Mnのモル比で0.50〜0.60であり、
好ましくは0.51〜0.55である。0.50未満の
場合、リチウム二次電池としたときの充放電容量のサイ
クル劣化が大きく、良好な電池特性を示さない。この理
由は第3成分添加によるサイクル特性の改善に報告され
ているように第3成分としてLiが作用しているためと
考えられる。また、Li/Mnのモル比が0.60を超
えるとLiMn2O4以外の生成物、例えばLi2MnO3
が生成し、LiMn2O4の純分が低下し、電池用量の低
下原因となり、好ましくない。
l、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Znか
ら選ばれる一種以上の酸化物または水酸化物をさらに添
加し、混合しても良い。この時添加する元素をMとする
と、1.5≦Mn≦2.0、かつ、0<M≦0.5の範
囲で目的物が製造できる。
添加元素の合計モル数が前記の範囲内である必要があ
る。この範囲を超えて添加すると副生成物が生成し、サ
イクル特性の劣化や電気容量の低下をもたらすので好ま
しくない。
48〜4.8モル/L、Mn原料が0.96〜9.6モ
ル/Lであると良い。前記範囲より濃度が高いと均一混
合に強い攪拌力が必要となる。また、乾燥時の配管閉塞
等の原因になり好ましくない。上記範囲より濃度が低い
と蒸発水分量が増加し、乾燥コストが上がったり、生産
性が低下し好ましくない。
とする。前記乾燥方法は噴霧乾燥、流動層乾燥、転動造
粒乾燥、あるいは凍結乾燥を単独または組み合わせて使
用できる。乾燥物をN2ガス、O2ガス、空気或いはこれ
らを任意の割合で混合した気流中において熱処理する。
く、700〜900℃がより好ましい。500℃未満で
はリチウム酸化物とマンガン酸化物の反応が不十分とな
り、好ましくない。また900℃を超えると粒子間の焼
結が進み、電池特性が悪いものになってしまう。
ため、排水の環境への影響を考慮することなく目的物を
製造できる。
酸化物を正極活物質として電池用正極を作製し、負極と
してLi金属を用いてリチウム二次電池を作製した場
合、初期放電容量は120mAh/g以上または50サ
イクル目の放電容量の維持率が90%以上を示すことが
できる。
ながら説明するが、本発明はこの実施例に限定されるも
のではない。反応生成物の形状は走査型電子顕微鏡(日
本電子製)により観察を行い、円形度はホソカワミクロ
ン株式会社製フロー式粒子像分析装置を使用し、測定し
た。なお、円形度は以下の式により規定される。円形度
=相当円の周囲長/粒子投影像の周囲長。反応生成物の
同定及び結晶構造は理学電機製X線回折装置(Cu−K
α 50kV 200mA)により調べた。また粒子の平
均粒径はレーザー回折散乱法(HONEYWELL社製
マイクロトラック粒度分布計)により測定した。また、
比表面積はBET一点法(島津製作所製Gemini)
により測定した。下記実施例1〜5及び比較例1で作製
したリチウムマンガン複合酸化物の各特性値は、次に示
す表1にまとめた。
溶液と電解MnO2をLi/Mnモル比0.515で湿
式混合した。混合物を110℃で噴霧乾燥した後、該乾
燥物を大気中850℃で6時間熱処理し、リチウムマン
ガン複合酸化物を得た。この試料に対し、走査型電子顕
微鏡による撮影、X線回折、円形度、平均粒径及び比表
面積の測定を行った。表1中に実施例1の円形度、平均
粒径及び比表面積の測定結果を示す。図1はX線回折パ
ターン、図2は電子顕微鏡写真を示す。試料は電子顕微
鏡写真より球状であることが判る。また円形度は0.9
42であった。X線回折パターンより試料はLiMn2
O4単相であることが判る。
を作製した。試料84重量部と、導電助剤としてアセチ
レンブラック8重量部と結着剤としてフッ素樹脂8重量
部を溶剤としてn−メチル−2−ピロリドンを用いて混
合した。上記電極合剤をドクターブレード法でアルミ箔
へ乾燥後の重量が0.01g/cm2となるように塗布
した。100℃で乾燥後、初期電極厚みに対して80%
にロールプレスした。1cm2に打ち抜き後、図3に示
すコイン電池の正極とした。図3において、負極は金属
Liを、電解液はエチレンカーボネートとジメチルカー
ボネートの等体積混合物にLiPF6を1mol/L溶
解させたものを使用した。また、セパレーターにはポリ
プロピレン多孔膜を使用した。電池全体の大きさは直径
20mm、厚さ3mmであった。
の充放電試験を行った。条件は電流密度0.2mA/c
m2の定電流で4.3Vまで充電し、さらに4.3V定
電圧で電流値が1μA/cm2以下になるまで充電し
た。その後電流密度0.2mA/cm2の定電流で3.
0Vまで放電した。このサイクルを50回繰り返した。
図4の実施例1は本実施例の1サイクル目と50サイク
ル目の充放電曲線図を示す。また表1の実施例1に本実
施例の1サイクル目と50サイクル目の放電容量値及び
放電容量の容量維持率を示す。これより本実施例のコイ
ン電池は初期容量値126mAh/gの高い容量値を示
すことが判る。
溶液と電解MnO2をLi/Mnモル比0.554で湿
式混合した。それ以外は実施例1と同様に行った。表1
の実施例2に円形度、比表面積、平均粒径及び放電容量
を示す。図4に実施例2の充放電曲線を示す。これより
本実施例のコイン電池は50サイクルでの容量維持率が
94.1%と高い値であることが判る。
溶液と電解MnO2をLi/Mnモル比0.526で湿
式混合した。更にMg(OH)2をMg/Mnモル比
0.02加え湿式混合した。それ以外は実施例1と同様
に行った。表1の実施例3に円形度、比表面積、平均粒
径及び放電容量を示す。図4に実施例3の充放電曲線を
示す。これより本実施例のコイン電池は50サイクルで
の容量維持率が92.6%と高い値であることが判る。
溶液と電解MnO2をLi/Mnモル比0.590で湿
式混合した。更にMg(OH)2をMg/Mnモル比
0.017、Al(OH)3をAl/Mnモル比0.0
96加え湿式混合した。それ以外は実施例1と同様に行
った。表1の実施例4に円形度、比表面積、平均粒径及
び放電容量を示す。図4に実施例4の充放電曲線を示
す。これより本実施例のコイン電池は50サイクルでの
容量維持率が94.8%と高い値であることが判る。
溶液と電解MnO2をLi/Mnモル比0.526で湿
式混合した。更にCo(OH)2をCo/Mnモル比
0.02加え湿式混合した。それ以外は実施例1と同様
に行った。表1の実施例5に円形度、比表面積、平均粒
径及び放電容量を示す。図5に実施例5の充放電曲線を
示す。これより本実施例のコイン電池は50サイクルで
の容量維持率が93.1%と高い値であることが判る。
溶液と電解MnO2をLi/Mnモル比0.500で湿
式混合した。その後、110℃で12時間乾燥した後、
大気中850℃で6時間の熱処理を行い、本比較例の試
料を得た。コイン電池の作製及び充放電試験は実施例1
と同様に行った。表1の比較例1に円形度、比表面積、
平均粒径及び放電容量値を示す。図5に比較例1の充放
電曲線を示す。これより本比較例のコイン電池は初期放
電容量値が99.7mAh/gと低く、50サイクルで
の容量維持率も59.9%と低い値であることが判る。
二次粒子形状を円形度0.90以上の球状とすることに
よりハンドリングが良く塗工性に優れたリチウムマンガ
ン複合酸化物を合成することができ、それを正極活物質
として作製したコイン電池は球状を呈しないリチウムマ
ンガン複合酸化物に比べ、高い初期放電容量値を示し、
またサイクル劣化も少ない。
MnO2を熱処理して得られるMn2O3を用いて球状の
リチウムマンガン複合酸化物を合成することができ、高
い充放電容量とサイクル特性に優れた非水電解液二次電
池が供給できる。
物のX線回折図である。
物の走査型電子顕微鏡写真である。
る。
酸化物の1サイクルと50サイクルの充放電曲線図であ
る。
ガン複合酸化物の1サイクルと50サイクルの充放電曲
線図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 一次粒子が集合して粒径が1〜100μ
mの球状二次粒子を形成し、比表面積が0.1〜10m
2/gであって、前記二次粒子投影像の円形度が0.9
0以上であることを特徴とするリチウムマンガン複合酸
化物。 - 【請求項2】 主成分が化学式LiaMnbO4(a、b
はモル数で1.0≦a≦1.2、1.5≦b≦2.0で
ある)で表されることを特徴とする請求項1に記載のリ
チウムマンガン複合酸化物。 - 【請求項3】 主成分が化学式LiaMnbMcO4(Mは
Mg、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、C
u、Znから選ばれる一種以上であり、a、b、cはモ
ル数で1.0≦a≦1.2、1.5≦b≦2.0、0<
c≦0.5である)で表されることを特徴とする請求項
1に記載のリチウムマンガン複合酸化物。 - 【請求項4】 電解MnO2または電解MnO2を熱処理
して得られるMn2O3と、水溶性リチウム化合物をLi
/Mnモル比が0.5〜0.6で湿式混合する工程と、
該混合液を球状のリチウムマンガン複合酸化物に乾燥し
た後、500〜900℃で熱処理する工程とからなるこ
とを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物の製造方
法。 - 【請求項5】 前記湿式混合時に、Mg、Al、Ti、
V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる
一種以上の酸化物または水酸化物を添加することを特徴
とする請求項4に記載のリチウムマンガン複合酸化物の
製造方法。 - 【請求項6】 請求項1〜3に記載のリチウムマンガン
複合酸化物を正極活物質として用いた電池用正極。 - 【請求項7】 請求項1〜3に記載のリチウムマンガン
複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電
池。 - 【請求項8】 少なくとも初期放電容量が120mAh
/g以上、または50サイクル後の放電容量維持率が9
0%を超えたコイン電池であることを特徴とする請求項
7に記載のリチウム二次電池。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001076298A JP2002274853A (ja) | 2001-03-16 | 2001-03-16 | リチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法、並びにその用途 |
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