JP2002513198A - Insertion compound and battery electrode - Google Patents

Insertion compound and battery electrode

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JP2002513198A JP2000546406A JP2000546406A JP2002513198A JP 2002513198 A JP2002513198 A JP 2002513198A JP 2000546406 A JP2000546406 A JP 2000546406A JP 2000546406 A JP2000546406 A JP 2000546406A JP 2002513198 A JP2002513198 A JP 2002513198A
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サドウェイ,ドナルド・アール
ジャン,ヤン−イル
フワン,ビイン
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Abstract

(57)【要約】 電池に用いるために改良された性質を有する挿入化合物、特にリチウム挿入化合物。本発明の組成物は、各々が第1比率での少なくとも第1金属と第2金属との酸化物コアを包含し、各々がコアからの第1金属と第2金属の少なくとも一方の偏析によって形成された、第1金属と第2金属とを第1比率では包含しない、金属酸化物又は水酸化物の表面被膜を包含する、複数個の多成分金属酸化物粒子を包含する粒状金属酸化物材料を包含する。コアは好ましくはLixyz2[式中、M及びNは金属原子又は主族元素であり、x、y及びzは約0から約1までの数であり、yとzとが、該化合物のMyz部分に関する形式電荷が(4−x)になるような数である]を含み、少なくとも約2.5Vの充電電圧を有することができる。本発明はまた、多相酸化物コアと、該多相酸化物コアの成分である1種類の物質から成り、下方の挿入物質を化学的溶解又は反応から保護する表面層とを包含するリチウム挿入物質として有用な多成分酸化物微細構造として特徴付けられうる。特に好ましい例では、多成分酸化物はアルミニウムドープされた酸化マンガン・リチウム組成物でありうる。斜方晶系構造を有する、このようなアルミニウムドープされた酸化マンガン・リチウム組成物も本発明の一部を形成する。さらに、本発明は、本発明の組成物から形成された物品、特に電池用電極と、このような電極を含む電池を包含する。本発明はさらに、少なくとも2種類の化合物を含み、そのうちの少なくとも1種類の化合物が斜方晶系構造LixAlyMn1-y2[式中、yは0ではない]又は斜方晶系と単斜晶系とのLixAl yMn1-y2の混合物を有する複合挿入物質に関する。   (57) [Summary] Insertion compounds having improved properties for use in batteries, especially lithium insertion compounds. The compositions of the present invention each include an oxide core of at least a first metal and a second metal in a first ratio, each formed by segregation of at least one of a first metal and a second metal from the core. A particulate metal oxide material comprising a plurality of multi-component metal oxide particles, comprising a surface coating of a metal oxide or hydroxide, not comprising a first metal and a second metal in a first ratio. Is included. The core is preferably LixMyNzOTwoWherein M and N are metal atoms or main group elements, x, y and z are numbers from about 0 to about 1 and y and z are the MyNzThe formal charge for the portion is (4-x)] and can have a charging voltage of at least about 2.5V. The present invention also provides a lithium intercalation comprising a multiphase oxide core and a surface layer comprising a material that is a component of the multiphase oxide core and protecting the underlying intercalation material from chemical dissolution or reaction. It can be characterized as a multi-component oxide microstructure useful as a material. In a particularly preferred example, the multi-component oxide can be an aluminum-doped lithium manganese oxide composition. Such aluminum-doped lithium manganese oxide compositions having an orthorhombic structure also form part of the invention. Further, the present invention encompasses articles formed from the compositions of the present invention, especially electrodes for batteries, and batteries comprising such electrodes. The invention further comprises at least two compounds, of which at least one compound has an orthorhombic structure LixAlyMn1-yOTwo[Where y is not 0] or orthorhombic and monoclinic LixAl yMn1-yOTwoA composite insert having a mixture of

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 発明の分野 本発明は電池の電極として用いるための挿入化合物(intercalation compound)
、特に金属イオンドープされた(ion doped)酸化マンガン・リチウム組成物、こ
のような組成物によって製造された物品、及びこのような組成物から形成された
電極を包含する電池に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an intercalation compound for use as a battery electrode.
More particularly, it relates to lithium ion manganese oxide compositions, articles made with such compositions, and batteries comprising electrodes formed from such compositions.

【0002】 発明の背景 本発明者、又はかれらの少なくとも一部は、再充電可能な電池へのリチウム挿
入化合物の使用の背景を今までに広範囲にレビューしてきた、国際出願No.P
CT/US97/18839、Mayes等によって10/10/97出願、名
称“ポリマー電解質、挿入化合物及び電池のための電極”、WO98/1696
0として公開、これは本明細書に援用される。この特許明細書は式:Lixy z2[式中、MとNはそれぞれ金属原子又は主族元素である]の組成物の例と、
改良された電気化学的性質を有することが実証される、このような組成物の合成
方法とを包含する。WO98/16960は、少なくともそれが挿入化合物に関
する限り、本明細書に援用される。
[0002]Background of the Invention The present inventor, or at least a part of them, has been responsible for lithium insertion into rechargeable batteries.
International application no. P
CT / US97 / 18839, filed Oct. 97 by Mayes et al.
Title "Polymer electrolytes, insertion compounds and electrodes for batteries", WO 98/1696
Published as 0, which is incorporated herein by reference. This patent specification has the formula: LixMyN z OTwoWherein M and N are each a metal atom or a main group element.
Synthesis of such compositions demonstrated to have improved electrochemical properties
And a method. WO 98/16960 states that at least it relates to intercalating compounds.
To the extent it is incorporated herein.

【0003】 本発明者はリチウム挿入化合物を研究し続けて、電池に用いるためにさらに改
良された性質を有する新規な化合物を同定した。 したがって、電池に用いるためにさらに改良された性質を有するリチウム挿入
化合物と、それらの製造方法とを提供することが、本発明の目的である。 本発明の他の目的は、例としてのみ、特定の例に関連して述べる下記説明から
明らかになるであろう。
[0003] The inventor has continued to study lithium insertion compounds and has identified new compounds with further improved properties for use in batteries. Accordingly, it is an object of the present invention to provide lithium insertion compounds having further improved properties for use in batteries and methods for their preparation. Other objects of the invention will become apparent from the following description, given by way of example only and with reference to certain examples.

【0004】 発明の概要 本発明の1態様によると、各々が第1比率での少なくとも第1金属と第2金属
との酸化物コアを包含し、各々がコアからの第1金属と第2金属の少なくとも一
方の偏析によって形成された、第1金属と第2金属とを第1比率では包含しない
、金属酸化物又は水酸化物の表面被膜を包含する、複数個の多成分金属酸化物粒
子を包含する粒状金属酸化物材料を包含する組成物を提供する。
[0004] According to one aspect of the Summary of the Invention invention, each includes an oxide core at least a first metal and a second metal in the first rate, the first metal and the second metal each from the core A plurality of multi-component metal oxide particles formed by at least one segregation, not including the first metal and the second metal in the first ratio, including a surface coating of a metal oxide or a hydroxide. A composition comprising a particulate metal oxide material is provided.

【0005】 本発明の他の態様によると、各々が第1比率での少なくとも第1金属と第2金
属との酸化物コアを包含し、各々が粒子への補助的な金属酸化物又は水酸化物の
塗布によって形成された、第1金属と第2金属とを第1比率では包含しない、金
属酸化物又は水酸化物の表面被膜を包含し、該コアがLixyz2[式中、M
は金属原子又は主族元素であり、Nは金属原子又は主族元素であり、xは約0か
ら約1までの数であり、yは約0から約1までの数であり、zは約0から約1ま
での数であり、yとzとが、該化合物のMyz部分に関する形式電荷が(4−x
)になるような数である]を含む、多成分金属酸化物粒子を包含し、少なくとも
約2.5Vの充電電圧を有する粒状金属酸化物材料を包含する組成物を提供する
According to another aspect of the present invention, each includes an oxide core of at least a first metal and a second metal in a first ratio, each comprising an auxiliary metal oxide or hydroxide to the particles. formed by coating of an object does not include a first metal and a second metal and a first rate, include surface coating of a metal oxide or hydroxide, wherein the core is Li x M y N z O 2 [ Where M
Is a metal atom or main group element, N is a metal atom or main group element, x is a number from about 0 to about 1, y is a number from about 0 to about 1, and z is about is a number from 0 to about 1, and the y and z, formal charge relates M y N z portion of the compound (4-x
), The composition comprising a particulate metal oxide material having a charging voltage of at least about 2.5V.

【0006】 本発明の他の態様によると、先行の2つのパラグラフにおいて述べたような粒
子を含み、該粒子がイオン挿入粒子であり、その少なくとも一部が導電性物質及
びイオン伝導性物質に接触している物品を提供する。
[0006] According to another aspect of the present invention, comprising particles as described in the preceding two paragraphs, wherein the particles are ion insertion particles, at least a portion of which is in contact with a conductive material and an ion conductive material. Provide the goods you are doing.

【0007】 本発明の他の態様によると、多成分酸化物に基づく挿入化合物の第1成分を複
数個の化合物粒子から該複数個の化合物粒子の表面に不均衡に偏析させて、該粒
子上に第1成分の保護層を形成する工程と;該複数個の粒子を化学的分解条件に
暴露させる工程と;該保護層に該粒子を化学的分解条件から遮蔽させて、該粒子
が保護層のない同じ粒子よりも大きな丈夫さを該条件下で示すようにする工程と
を含む方法を提供する。
According to another aspect of the present invention, the first component of the intercalation compound based on the multi-component oxide is disproportionately segregated from the plurality of compound particles to the surface of the plurality of compound particles, and the Forming a protective layer of the first component on the substrate; exposing the plurality of particles to chemical decomposition conditions; and causing the protective layer to shield the particles from the chemical decomposition conditions so that the particles form a protective layer. Making said particles more robust than said same particles without said conditions.

【0008】 本発明の他の態様によると、多相酸化物コアと、下にある挿入物質を化学的溶
解又は反応から保護する、該多相酸化物コアの1成分である1種類の物質の表面
層とを含む、リチウム挿入物質として有用な多成分酸化物を提供する。
In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a multiphase oxide core and one of the components of the multiphase oxide core that protects the intercalating material from chemical dissolution or reaction. A multi-component oxide useful as a lithium insertion material, including a surface layer.

【0009】 本発明の他の態様によると、リチウムが可逆的に挿入されることができ、多成
分酸化物のうちの1構成成分の一部又は全てが自然に表面層を形成し、この表面
層が下にある挿入化合物を化学的溶解又は反応から保護する多成分酸化物を提供
する。
According to another aspect of the present invention, lithium can be reversibly inserted, and some or all of one component of the multi-component oxide naturally forms a surface layer. The layer provides a multi-component oxide that protects the underlying insertion compound from chemical dissolution or reaction.

【0010】 本発明の他の態様によると、式:LixAlyMn1-y2構造[式中、yは0で
はない]の組成物を提供する。 本発明の他の態様によると、少なくとも1種類の成分を有し、該少なくとも1
種類の成分が、yが0ではないLixAlyMn1-y2斜方晶系構造を有する、一
次リチウム電池用の電極を提供する。
According to another aspect of the present invention, there is provided a composition of the formula Li x Al y Mn 1-y O 2 wherein y is not zero. According to another aspect of the present invention, the at least one component comprises at least one component.
An electrode for a primary lithium battery, wherein the components have a Li x Al y Mn 1-y O 2 orthorhombic structure where y is not zero.

【0011】 本発明の他の態様によると、複合挿入物質は少なくとも2種類の化合物を含む
。少なくとも1種類の化合物は、yが0ではない、斜方晶系構造LixAlyMn 1-y2を有する。 本発明の他の態様によると、少なくとも2種類の化合物を含む複合挿入物質は
、電気化学的サイクリング時に、約4Vにおける単一プラトーからそれぞれ約4
V及び3Vにおける2つのプラトーまでの電圧対容量曲線の変化を有する少なく
とも1種類の化合物を有する。
According to another aspect of the invention, the composite intercalator comprises at least two compounds.
. At least one compound has an orthorhombic structure Li wherein y is not zero.xAlyMn 1-y OTwoHaving. According to another aspect of the present invention, a composite intercalator comprising at least two compounds is
During electrochemical cycling, from a single plateau at about 4 V to about 4
With a change in voltage vs. capacity curve up to two plateaus at V and 3V
Both have one type of compound.

【0012】 本発明の他の態様によると、少なくとも2種類の化合物を含む複合挿入物質は
、 2.0〜4.4Vの電圧範囲にわたって少なくとも約100mAh/gの放電容
量(discharge capacity)と、50サイクル後に少なくとも約400Wh/kgの
エネルギー密度とを有する少なくとも1種類の化合物を有する。
According to another aspect of the present invention, the composite intercalating material comprising at least two compounds comprises a discharge capacity of at least about 100 mAh / g over a voltage range of 2.0-4.4 V; Having at least one compound having an energy density of at least about 400 Wh / kg after cycling.

【0013】 本発明の他の態様によると、少なくとも2種類の個別の挿入化合物を含有し、
各化合物が異なるリチウム化学拡散速度を有し、任意の非複合挿入化合物の電圧
対容量プロフィルよりも連続的に変化する電圧対容量プロフィルを有する複合挿
入化合物を提供する。
[0013] According to another aspect of the present invention, comprising at least two separate insertion compounds,
Each compound has a different lithium chemical diffusion rate and provides a composite insertion compound having a continuously changing voltage-capacity profile than the voltage-capacity profile of any non-composite insertion compound.

【0014】 本発明の他の態様によると、少なくとも2種類の個別の挿入化合物を含有し、
各化合物が異なる粒度を有し、任意の非複合挿入化合物の電圧対容量プロフィル
よりも連続的に変化する電圧対容量プロフィルを有する複合挿入化合物を提供す
る。 本発明の他の態様は、例としてのみ、添付図面に関連して述べる下記説明から
明らかになるであろう。
According to another aspect of the present invention, it comprises at least two distinct insertion compounds,
Each compound has a different particle size and provides a composite insertion compound having a continuously changing voltage-capacity profile than the voltage-capacity profile of any non-composite insertion compound. Other aspects of the invention will become apparent from the following description, taken by way of example only and with reference to the accompanying drawings.

【0015】 発明の詳細な説明 本発明の1実施態様は、組成LixAlyMn1-y2[式中、yは約0.5未満
である]を有する挿入化合物ファミリーを提供する。これらの化合物はリチウム
電池に電極として用いられることができ、本明細書に述べる方法によって合成さ
れるときに、好ましくは約1のx値を有する。これらの化合物は単斜晶系LiM
nO2、斜方晶系LiMnO2、又は正方晶スピネルLi2Mn24構造型として
結晶化し、他の構造特徴を有し、本明細書に述べる構造特徴に関連した性能特徴
を有する。1種類の化合物では、イオンが酸素によって八面体配位される部位を
主として占める。リチウム再充電可能電池における周期的な電気化学的挿入及び
脱挿入(de-intercalation)時に、化合物は局部カチオン・オーダーの電荷(charg
e)を示し、その後Liイオンは八面体及び四面体酸素配位の両方の部位を占め、
変化度は化合物中のLi濃度に依存する。電気化学的サイクリング後に得られる
化合物構造は、非限定的に、立方晶スピネルLiMn24又は正方晶スピネルL
2Mn24構造を有することができる。本発明の化合物は、低い材料費と、室
温における高い可逆的な充電容量(charge capacity)及びエネルギー密度と、高
温(40〜70℃)における高い可逆的な充電容量及びエネルギー密度と、高温
(40〜70℃)における貯蔵時の長い寿命と、該化合物を含有する再充電可能
なリチウム電池の加熱時に高い発熱反応の無いことによって明らかであるような
安全性とを含めて、例えばLiCoO2、LiMn24(立方晶スピネル構造)
及びLiNiO2のような、再充電可能なリチウム電池に今まで典型的に用いら
れた挿入化合物に見られない、有用な特徴の組み合わせを有する。
[0015] One embodiment of the Detailed Description of the Invention The present invention, wherein, y is a is less than about 0.5] composition Li x Al y Mn 1-y O 2 to provide for the insertion compound family with. These compounds can be used as electrodes in lithium batteries and preferably have an x value of about 1 when synthesized by the methods described herein. These compounds are monoclinic LiM
It crystallizes as nO 2 , orthorhombic LiMnO 2 , or tetragonal spinel Li 2 Mn 2 O 4 structural type, has other structural characteristics, and has performance characteristics related to the structural characteristics described herein. In one type of compound, the ion occupies primarily the site of octahedral coordination by oxygen. Upon periodic electrochemical insertion and de-intercalation in a lithium rechargeable battery, the compound is charged to a local cation order (charg
e), after which the Li ions occupy both octahedral and tetrahedral oxygen coordination sites,
The degree of change depends on the Li concentration in the compound. Compound structures obtained after electrochemical cycling include, but are not limited to, cubic spinel LiMn 2 O 4 or tetragonal spinel L
It can have an i 2 Mn 2 O 4 structure. The compounds of the present invention have low material costs, high reversible charge capacity and energy density at room temperature, high reversible charge capacity and energy density at high temperatures (40-70 ° C), high temperature (40 (Eg, LiCoO 2 , LiMn), including long life on storage at −70 ° C.) and safety as evidenced by the absence of a high exothermic reaction upon heating of a rechargeable lithium battery containing the compound. 2 O 4 (cubic spinel structure)
And LiNiO like 2, not found in typical insertion compounds used to date in the rechargeable lithium battery, having a combination of useful features.

【0016】 本発明の他の実施態様は、本発明の化合物を用いる、本明細書に述べるリチウ
ム電池を含めた、一次式又は二次(再充電可能)式の任意のリチウム電池をも含
む。
Other embodiments of the present invention also include any primary or secondary (rechargeable) lithium battery, including the lithium batteries described herein, using the compounds of the present invention.

【0017】 本発明の他の実施態様は、上記個々のLixAlyMn1-y2化合物の任意の混
合物と、組成LixAlyMn1-y2を有する化合物と例えばLiCoO2、Li
AlyCo1-y2、LiNiO2、LiCoyNi1-y2又はLiMn24のよう
な、他の既知挿入化合物との任意の混合物を含む。このような混合物は、ある一
定の個々の化合物に関して得られるよりも滑らかに充電容量と共に変化する電圧
のために、特別な有用性を有しうる。
[0017] Another embodiment of the present invention is directed to a mixture of any of the above individual Li x Al y Mn 1-y O 2 compounds and a compound having the composition Li x Al y Mn 1-y O 2 , eg, LiCoO 2 , Li
Al y Co 1-y O 2 , such as LiNiO 2, LiCo y Ni 1- y O 2 or LiMn 2 O 4, including any mixture with other known insertion compound. Such mixtures may have particular utility due to voltages that vary with charge capacity more smoothly than are obtained for certain individual compounds.

【0018】 本明細書では、下記略号を用いる: 単斜晶系LixAlyMn1-y2(略号:m−LixAlyMn1-y2) 斜方晶系LixMnO2(略号:o−LixMnO2) 斜方晶系LixAlyMn1-y2(略号:o−LixAlyMn1-y2In the present specification, the following abbreviations are used: monoclinic Li x Al y Mn 1-y O 2 (abbreviation: m-Li x Al y Mn 1-y O 2 ) orthorhombic Li x MnO 2 (abbreviation: o-Li x MnO 2) orthorhombic Li x Al y Mn 1-y O 2 ( abbreviation: o-Li x Al y Mn 1-y O 2)

【0019】 各場合に、挿入化合物は約1のx値を有して製造される。挿入化合物としての
使用中に、xの値は0に接近しうる(例えば、有効陰極(active cathod)材料と
して化合物を用いる電池の充電中)。1実施態様では、単斜晶系LixAlyMn 1-y2に関してyは約0.01〜約0.5の値を有する。他の実施態様では、斜
方晶系LixAlyMn1-y2に関してyは約0〜約0.25の値を有する。y=
0の場合に、化合物はドープされていない斜方晶系LixMnO2である。
In each case, the insertion compound is prepared with an x value of about 1. As an insertion compound
In use, the value of x can approach 0 (eg, with active cathod material)
During the charging of the battery using the compound). In one embodiment, the monoclinic LixAlyMn 1-y OTwoHas a value from about 0.01 to about 0.5. In other embodiments, the oblique
Orthogonal LixAlyMn1-yOTwoHas a value of about 0 to about 0.25. y =
In the case of 0, the compound is undoped orthorhombic LixMnOTwoIt is.

【0020】 本明細書では、“斜方晶系LiMnO2”又は“o−LiMnO2”なる用語は
、R.Hoppe,G.Brachtel及びM.Jansen(Z.Anor
g.Allg.Chemie,471,1(1975))によって述べられてい
る斜方晶系岩塩構造(orthorhombic ordered rocksalt structure)のLixMnO 2 を意味する。
In the present specification, “rhombic LiMnO 2TwoOr "o-LiMnO"TwoThe term "
, R.S. Hoppe, G .; Brachtel and M.C. Jansen (Z. Anor)
g. Allg. Chemie, 471, 1 (1975)).
Li of orthorhombic ordered rocksalt structurexMnO Two Means

【0021】単斜晶系LixAlyMn1-y2 本発明の1実施態様は、挿入化合物LiAly1-y2を形成するためのAl
の添加が、α−NaFeO2構造において純粋なLiMnO2として容易には形成
されない化合物のα−NaFeO2構造型の安定化を可能にするという発見を反
映する。この場合に、Mは非限定的にMn、Fe及びTiであることができる。
例えば、LiMnO2は、スピネルLiMn24中にLiを電気化学的若しくは
化学的に挿入することによって、純粋な化合物として又は正方晶スピネルLi2
Mn24として斜方晶系対称相で結晶化することができるが、今まではNaMn
2中にNa+の代わりのLi+のイオン交換によってα−NaFeO2構造型(こ
の組成では、単斜晶系対称性、空間群C2/mを有する)でのみ形成されていた
(A.R.ArmstrongとP.G.Bruce,Nature,381巻
,499頁,1996)。実施例1に示すような本発明の方法によると、固溶体
Li(Al,Mn)O2を、還元性ガス雰囲気中で加熱することによって、α−
NaFeO2構造型の単斜晶系変形で容易に結晶化することができる。
Monoclinic Li x Al y Mn 1-y O 2 One embodiment of the present invention provides an Al compound for forming the intercalation compound LiAl y M 1-y O 2.
Addition of, reflects the discovery that readily allows the stabilization of alpha-NaFeO 2 structure type not formed compound as a pure LiMnO 2 in alpha-NaFeO 2 structure. In this case, M can be, but is not limited to, Mn, Fe and Ti.
For example, LiMnO 2 can be obtained as a pure compound or by tetragonal spinel Li 2 by electrochemically or chemically inserting Li into spinel LiMn 2 O 4.
Mn 2 O 4 can be crystallized in an orthorhombic symmetric phase.
O 2 was formed only in α-NaFeO 2 structure type (in this composition, having monoclinic symmetry, space group C2 / m) by ion exchange of Li + instead of Na + (A. R. Armstrong and PG Bruce, Nature, 381, 499, 1996). According to the method of the present invention as shown in Example 1, by heating a solid solution Li (Al, Mn) O 2 in a reducing gas atmosphere, α-
It can be easily crystallized by a monoclinic deformation of the NaFeO 2 structure type.

【0022】 α−NaFeO2構造型の単斜晶系変形で結晶化する挿入化合物LiAly1- y2は、電気化学的サイクリング時に、挿入の2つの特徴的な電圧と、高いエネ
ルギー密度と、優れたサイクリング性能(cycling performance)とを有する挿入
化合物を形成する。特に、この挿入化合物はLi−Mn−Oに基づくスピネルと
同様に、但し従来のスピネルの特徴であるサイクリング時の容量の低下なしに、
約4Vと約3V(Li金属陽極に対して)の両方におけるプラトーを含む電圧及
び容量範囲にわたってサイクリングさせることができる。このことは両方の電圧
状況(voltage regime)の実際的利用を可能にし、その結果、高い実際的エネルギ
ー密度を生じる。
The insertion compound LiAl y M 1- y O 2 , which crystallizes in a monoclinic variant of the α-NaFeO 2 structure type, has two characteristic voltages of insertion and a high energy density during electrochemical cycling. And an insertion compound having excellent cycling performance. In particular, this insertion compound is similar to the spinel based on Li-Mn-O, but without the loss of capacity during cycling, a characteristic of conventional spinels.
Cycling can be performed over a voltage and capacity range that includes a plateau at both about 4V and about 3V (relative to the Li metal anode). This allows practical use of both voltage regimes, resulting in a high practical energy density.

【0023】 本発明の化合物が40〜70℃の高温における反復サイクリング時に高いエネ
ルギー密度及び可逆的容量、当該技術分野における顕著に有用な改良を示すこと
が特徴である。1実施態様では、高温におけるエネルギー密度は室温において同
じ化合物によって示されるエネルギー密度よりも高くなりうる。該化合物の高温
安定性は典型的な酸化マンガン・リチウムの高温安定性よりも明らかに優れてい
る。
The compounds of the present invention are characterized by high energy densities and reversible capacities upon repeated cycling at elevated temperatures of 40-70 ° C., a markedly useful improvement in the art. In one embodiment, the energy density at elevated temperatures can be higher at room temperature than that exhibited by the same compound. The high temperature stability of the compound is clearly superior to the high temperature stability of typical lithium manganese oxide.

【0024】 本発明はこのような化合物の製造方法も包含する。The present invention also includes a method for producing such a compound.

【0025】実施例1:水酸化物沈殿と凍結乾燥及び還元性雰囲気中での焼成による単斜晶系 LiAl0.05Mn0.952及びLiAl0.25Mn0.752の合成、これらの構造特 徴付け、及び室温と高温とにおけるこれらの電気化学的試験 合成と構造分析 共沈と凍結乾燥合成方法によって、総合組成物LiAl0.05Mn0.952及び
LiAl0.25Mn0.752の単斜晶系LixAlyMn1-y2を製造した。LiO
H・H2O(Alfa Aesar,98%)と、Mn(NO33・6H2O(A
ldrich,98%)と、Al(NO33・9H2O(Alfa Aesar
,98%)とを用いて、アルミニウム・レベルy=0.05及びy=0.25と
、総合Li:(Mn+Al)原子比1.05:1とを有する先駆体を製造した。
焼成中のLiの可能な損失を補償するためにやや過剰なLiを含めた。混合マン
ガン−アルミニウム水酸化物はMn(NO33・6H2OとAl(NO33・9H 2 Oとの混合水溶液から、pH=10.5に維持した脱イオン水中のLiOH・
2Oの連続撹拌溶液に所望のモル比率(y/(1−y))で脱イオン水中に溶
解した0.2M溶液(両方の金属硝酸塩を包含)を加えることによって、共沈さ
せた。沈殿を12時間温浸させ、遠心分離によって沈降させた、次に、沈殿をL
iOH・H2O水溶液中に分散させ、遠心分離によって沈殿を沈降させ、上澄み
液をデカントすることによって、残留硝酸イオン(nitrate ions)を除去した。こ
のすすぎ洗いプロセスを5回行った。すすぎ洗いされた沈殿を、1.05のLi
:(Al+Mn)比率を有する総合組成物を生じる濃度で溶解LiOH・H2
を含有する水溶液中に最後に分散させ、この懸濁液を液体窒素中に噴霧し、凍結
した小滴を取り出し、商業的凍結乾燥器(VirTis Consol 12L
L,Gardiner,NY)中で凍結乾燥することによって凍結乾燥させた。
[0025]Example 1: Monoclinic by hydroxide precipitation and freeze drying and calcination in a reducing atmosphere Synthesis of LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 and LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 , Marking and their electrochemical testing at room and elevated temperatures Synthesis and structural analysis By the coprecipitation and lyophilization synthesis method, the total composition LiAl0.05Mn0.95OTwoas well as
LiAl0.25Mn0.75OTwoOf monoclinic LixAlyMn1-yOTwoWas manufactured. LiO
H ・ HTwoO (Alfa Aesar, 98%) and Mn (NOThree)Three・ 6HTwoO (A
ldrich, 98%) and Al (NOThree)Three・ 9HTwoO (Alfa Aesar
, 98%) and the aluminum levels y = 0.05 and y = 0.25.
A precursor having an overall Li: (Mn + Al) atomic ratio of 1.05: 1 was produced.
A slight excess of Li was included to compensate for possible loss of Li during firing. Mixed man
The gun-aluminum hydroxide is Mn (NOThree)Three・ 6HTwoO and Al (NOThree)Three・ 9H Two From a mixed aqueous solution with O, LiOH · in deionized water maintained at pH = 10.5
HTwoO is dissolved in deionized water at a desired molar ratio (y / (1-y)) in a continuously stirred solution of O.
The coprecipitation was achieved by adding the dissolved 0.2M solution (including both metal nitrates).
I let you. The precipitate was digested for 12 hours and sedimented by centrifugation.
iOH ・ HTwoDisperse in an aqueous O solution, settle the precipitate by centrifugation, and
The solution was decanted to remove residual nitrate ions. This
The rinsing process was performed 5 times. The rinsed precipitate is washed with 1.05 Li
: LiOH.H dissolved at a concentration that results in a total composition having the (Al + Mn) ratioTwoO
Finally, the suspension is dispersed in an aqueous solution containing
The droplets were removed and placed in a commercial lyophilizer (VirTis Consol 12L).
L, Gardiner, NY).

【0026】 先駆体粉末を種々な酸素分圧下、945℃において2時間焼成し、室温へ炉冷
却した。予め混合したアルゴン/酸素又はCO/CO2混合物を流すことによっ
て制御した、PO2=10-2〜10-7atm範囲内で焼成することによって、相
安定性に対する酸素分圧の効果を測定した。アルゴン、アルゴン/酸素又は緩衝
化CO/CO2混合物中で焼成することによって、高Mn3+画分を得て、単斜晶
系LiMnO2と異種同形の(isomorphous)結晶構造がLixAlyMn1-y2に得
られた。
The precursor powder was calcined at 945 ° C. for 2 hours under various oxygen partial pressures and furnace cooled to room temperature. The effect of oxygen partial pressure on phase stability was measured by calcining in the range of PO 2 = 10 −2 to 10 −7 atm, controlled by flowing a premixed argon / oxygen or CO / CO 2 mixture. . Calcination in argon, argon / oxygen or a buffered CO / CO 2 mixture yields a high Mn 3+ fraction with a monoclinic LiMnO 2 isomorphous crystal structure of Li x Al y Mn 1-y O 2 was obtained.

【0027】 X線粉末回折と、商業的ソフトウエアを用いた構造シミュレーションとによっ
てm−LixAlyMn1-y2の構造を確認した。種々な酸素分圧下で945℃に
おいてアルミニウムドープされた先駆体を焼成することによって得られた酸化物
粉末のX線回折走査を図1に示す。最初に10-2及び10-3atmの高い酸素分
圧において組成物LiAl0.25Mn0.752を考慮すると、得られる相はLiM
24、Li2MnO3及びγ−LiAlO2(正方晶系相)である。酸素分圧が
10-4atmに低下すると、m−LiMnO2及びo−LiMnO2と同型構造の
新しい相が出現する。2θ=18.3°におけるその最も強いピークによって特
色づけられるm−LiMnO2は10-5atm未満の酸素分圧における主要相に
なる。この相の同定は以下でさらに詳しく考察する。酸素分圧が10-4〜10-6 atmの範囲に低下すると、o−LiMnO2の量も僅かに増加するが、約94
5℃の焼成温度を通してマイナー相(minor phase)に留まる。組成物LiAl0.0 5 Mn0.952は、この温度における還元性雰囲気中で焼成したときに(PO2=1
-7atm,図1)、排他的にm−LiMnO2相を示した。これらの相は、主
要なマンガン原子価状態が10-4atm未満の酸素分圧において3+であること
と、これらの条件下でLiAlO2末端要素(endmember)とLiMnO2末端要素
との間の固溶体が得られることを示す。しかし、これらの焼成条件下でのいずれ
の純粋な末端要素とも異なり、構造はm−LiMnO2の構造である。
The structure of m-Li x Al y Mn 1-y O 2 was confirmed by X-ray powder diffraction and structural simulation using commercial software. An X-ray diffraction scan of the oxide powder obtained by calcining the aluminum-doped precursor at 945 ° C. under various oxygen partial pressures is shown in FIG. First considering the composition LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 at high oxygen partial pressures of 10 -2 and 10 -3 atm, the resulting phase is LiM
n 2 O 4 , Li 2 MnO 3 and γ-LiAlO 2 (tetragonal phase). When the oxygen partial pressure is reduced to 10 -4 atm, a new phase having the same structure as m-LiMnO 2 and o-LiMnO 2 appears. M-LiMnO 2, characterized by its strongest peak at 2θ = 18.3 °, becomes the dominant phase at oxygen partial pressures less than 10 −5 atm. The identification of this phase is discussed in more detail below. As the oxygen partial pressure falls to the range of 10 -4 to 10 -6 atm, the amount of o-LiMnO 2 slightly increases, but about 94%.
Remains in the minor phase through a 5 ° C. firing temperature. Composition LiAl 0.0 5 Mn 0.95 O 2, when firing in a reducing atmosphere in the temperature (PO 2 = 1
0 -7 atm, FIG. 1), exclusively showing the m-LiMnO 2 phase. These phases show that the predominant manganese valence state is 3+ at oxygen partial pressures of less than 10 -4 atm and that under these conditions the solid solution between the LiAlO 2 endmember and the LiMnO 2 end element Is obtained. However, unlike with any of the pure final element in these firing conditions, the structure is a structure of the m-LiMnO 2.

【0028】 m−LiMnO2のXRDパターンは正方晶系Li2Mn24スピネルのXRD
パターンと非常に類似しているので、この系においては細心の相同定が必要であ
る。後者のスピネル相はLiMn24スピネルのリチオ化によって得られている
(J.M.TarasconとD.Guyomard,J.Electroch
em.Soc.,138,2864(1991))。Capitaine等(F
.Capitaine,P.Gravereau及びC.Delmas,Sol
id State Ionics,89,197(1996))は、単斜晶系相
と正方晶系相とを64〜68°2θ範囲における回折線によって相互から区別す
ることができると主張している。本発明者は、m−LiMnO2、Li2Mn24 及び仮定の固溶体m−LiAl0.25Mn0.752のXRDパターンを、商業的ソ
フトウェアCerius(v.3.5,Molecular Simulati
ons Inc.,San Diego,CA)を用いてシミュレートした。m
−LiMnO2の構造はArmstrongとBruce(A.R.Armst
rongとP.G.Bruce,Nature,381,499(1996))
からの結晶学的データを用いてシミュレートし、Li2Mn24の構造はMos
bah等(A.Mosbah,A.Verbaere及びM.Tournoux
,Mat.Res.Bull.,18,1375(1983))からのデータを
用いて、m−LiAl0.25Mn0.752の構造は本研究で測定された格子パラメ
ータ(以下参照)とArmstrongとBruceの酸素パラメータとを用い
て、Mnの25%がAlによって置換されたこと以外は完全に整然としたα−N
aFeO2構造を推定してシミュレートした。
The XRD pattern of m-LiMnO 2 is the XRD pattern of tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 spinel.
Because it is very similar to the pattern, meticulous phase identification is required in this system. The latter spinel phase has been obtained by lithiation of LiMn 2 O 4 spinel (JM Tarascon and D. Guyomard, J. Electroch).
em. Soc. , 138, 2864 (1991)). Capitaine et al. (F
. Capitaine, P .; Gravereau and C.I. Delmas, Sol
id State Ionics, 89, 197 (1996)) claims that monoclinic and tetragonal phases can be distinguished from one another by diffraction lines in the 64-68 ° 2θ range. The present inventor has described the XRD patterns of m-LiMnO 2 , Li 2 Mn 2 O 4 and the hypothetical solid solution m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 by commercial software Cerius (v.3.5, Molecular Simulati).
ons Inc. , San Diego, CA). m
The structure of LiMnO 2 is Armstrong and Bruce (AR Armst).
long and P.L. G. FIG. Bruce, Nature, 381, 499 (1996))
Was simulated using crystallographic data from Li, and the structure of Li 2 Mn 2 O 4 was Mos
bah et al. (A. Mosbah, A. Verbaere and M. Tournoux).
, Mat. Res. Bull. , 18, 1375 (1983)), the structure of m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 was determined using the lattice parameters measured in this study (see below) and the Armstrong and Bruce oxygen parameters. Perfectly ordered α-N except that 25% of Mn was replaced by Al
The aFeO 2 structure was estimated and simulated.

【0029】 シミュレートした結果を、LiAl0.25Mn0.752の実験的XRDパターン
と比較して、図2に示す。これらの3種類のシミュレートパターンの間の差は、
各パターンに関する挿入図に拡大された、60〜68°範囲におけるピークの位
置と相対強度とに見ることができる。単斜晶系相、m−LiMnO2とm−Li
Al0.25Mn0.752とはそれぞれ65.1°と66.6°とに(202)及び
(020)ピークを示し、後者のピークの方が高い強度を有する。Li2Mn2 4 はそれぞれ66.1°と67.0°とに(400)及び(323)ピークを示
し、前者のピークの方が高い強度を有する。図2(d)における実験的パターン
は、単斜晶系相に一致するピーク位置(65.1°と66.6°)並びに相対強
度を示す。
The simulated result is expressed as LiAl0.25Mn0.75OTwoExperimental XRD pattern
2 is shown in FIG. The difference between these three simulated patterns is
Peak positions in the 60-68 ° range, enlarged in the inset for each pattern
And relative intensity. Monoclinic phase, m-LiMnOTwoAnd m-Li
Al0.25Mn0.75OTwoMeans (202) and 65.1 ° and 66.6 °, respectively.
(020) peak, the latter peak having a higher intensity. LiTwoMnTwoO Four Shows (400) and (323) peaks at 66.1 ° and 67.0 °, respectively.
However, the former peak has a higher intensity. Experimental pattern in FIG. 2 (d)
Are the peak positions (65.1 ° and 66.6 °) corresponding to the monoclinic phase and the relative intensity.
Indicates the degree.

【0030】 異なる相の間の他の区別できる特徴が61〜62°の範囲内に見られる。m−
LiMnO2は2つのピーク(311)と(113)とを有し、これらのピーク
はm−LiAl0.25Mn0.752ではより密接な間隔になる。Li2Mn24はこ
の2θ範囲内に1つのピーク(224)のみを有する。実験的パターン(図2(
d))はm−LiAl0.25Mn0.752に関するシミュレーションに一致するが
、m−LiMnO2に関するシミュレーションには一致しない。したがって、こ
れらの結果は、本発明のm−LixAlyMn1-y2化合物が単斜晶系構造を有す
ることを確認するのみでなく、これらが実際にMnに置換したAlを有すること
も確認する。
[0030] Other distinguishing features between the different phases are found in the range 61-62 °. m-
LiMnO 2 has two peaks (311) and (113), which are more closely spaced in m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 . Li 2 Mn 2 O 4 has only one peak (224) in this 2θ range. Experimental pattern (Fig. 2 (
d)) is consistent with the simulation for m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 but not the simulation for m-LiMnO 2 . Therefore, these results not only confirm that the m-Li x Al y Mn 1-y O 2 compound of the present invention has a monoclinic structure, but also that they have Al actually substituted with Mn. Also make sure.

【0031】 Alドーピングの効果のさらなる根拠として、図3は同じに製造されたがAl
添加物を含まない先駆体を10-6atm酸素分圧下、945℃において焼成する
ことによって得られたドープされていないLiMnO2サンプルのXRDパター
ンを示す。o−LiMnO2が主要な相であることが実際に見られる。
As a further basis for the effect of Al doping, FIG.
FIG. 4 shows the XRD pattern of an undoped LiMnO 2 sample obtained by calcining a precursor without additives at 945 ° C. under 10 −6 atm oxygen partial pressure. It can be seen that o-LiMnO 2 is the predominant phase.

【0032】 m−LiAl0.25Mn0.752サンプルの格子パラメータはXRDデータから
Cohenの最小二乗方法を用いて算出されており、これを表1のイオン交換方
法によって得られた純粋なm−LiMnO2の格子パラメータと比較する。bと
βの値には有意差が見られず、aとcは僅かに低下する。
The lattice parameters of the m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 sample were calculated from the XRD data using the Cohen least-squares method, and were converted to pure m-LiMnO 2 obtained by the ion exchange method in Table 1. With the lattice parameter of. There is no significant difference between the values of b and β, and a and c slightly decrease.

【0033】 表1Table 1

【表1】 [Table 1]

【0034】 m−LiAlyMn1-y2相の安定化はアルミニウムの添加によって最も可能
であり、焼成条件のみのためではない。本発明者は、LiAlO2(α−LiA
lO2)のα−NaFeO2多形相が600℃を超えるとγ−LiAlO2に不可
逆的に変化することが以前示されているので、この多形相がこれらの条件下で安
定相ではないことも認めている。それ故、本発明のLixAlyMn1-y2固溶体
が、末端要素LiAlO2とLiMnO2のいずれもα−NaFeO2構造におい
て安定ではない条件下で、α−NaFeO2構造で結晶化することが見られる。
この発見は、先行技術を考慮すると、驚くべきものである。
The stabilization of the m-LiAl y Mn 1-y O 2 phase is most possible with the addition of aluminum, not just because of the firing conditions. The present inventor has proposed LiAlO 2 (α-LiA)
Since it has previously been shown that the α-NaFeO 2 polymorph of OO 2 ) changes irreversibly to γ-LiAlO 2 above 600 ° C., it may not be a stable phase under these conditions. Admit. Therefore, Li x Al y Mn 1- y O 2 solid solution of the present invention, end element LiAlO 2 and LiMnO in not stable conditions in both alpha-NaFeO 2 structure 2, alpha-NaFeO crystallize in structures Can be seen.
This finding is surprising given the prior art.

【0035】 本発明の化合物中のAl及びMn固溶体の形成は、透過型電子顕微鏡検査(T
EM)と、走査透過型電子顕微鏡検査(STEM)での組成マッピング(composi
tional mapping)とによって立証することができる。製造されたままのm−Li
Al0.05Mn0.952粉末をVacuum Generators HB603 STEMで分析した。AlとMnとに関する明視野及び環状暗視野(annular-d
ark field)イメージングとエネルギー分散性X線マッピングとを行った。図4は
粉末粒子の明視野像を、AlとMnの分布を示すX線マップと共に示す。粉末粒
子の全体にわたって一定のAl/MnX線相対強度比率で、Mnの存在は常にA
lの存在を付随するように思われる。このことは、最初の組成が最も均一である
ように思われることを示す。X線光電子分光法(XPS)を用いて、表面層を除
去するためのイオン・スパッタリング(ion sputtering)の前後に、この粉末の表
面組成を分析した。XPS結果はスパッタリングの前後のAl/Mn比率の有意
差を示さず、異なる組成の表面原子層が最初に存在しないことを実証した。した
がって、後に考察する、本発明の化合物の優れた挿入特性(intercalation prope
rties)は、実際の固溶体m−LiAlyMn1-y2の形成が生じることであると
思われる。
The formation of Al and Mn solid solutions in the compounds of the present invention can be determined by transmission electron microscopy (T
EM) and composition mapping by scanning transmission electron microscopy (STEM) (composi
nation mapping). M-Li as manufactured
The Al 0.05 Mn 0.95 O 2 powder was analyzed on a Vacuum Generator HB603 STEM. Bright field and annular dark field (annular-d
ark field) imaging and energy dispersive X-ray mapping were performed. FIG. 4 shows a bright field image of the powder particles together with an X-ray map showing the distribution of Al and Mn. With a constant Al / Mn X-ray relative intensity ratio throughout the powder particles, the presence of Mn is always A
It seems to be accompanied by the presence of l. This indicates that the initial composition appears to be the most uniform. The surface composition of this powder was analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) before and after ion sputtering to remove the surface layer. The XPS results showed no significant difference in Al / Mn ratio before and after sputtering, demonstrating that surface atomic layers of different composition were not initially present. Therefore, the excellent intercalation propeties of the compounds of the present invention, discussed below.
Rties) is believed to be that the actual formation of a solid solution m-LiAl y Mn 1-y O 2 is produced.

【0036】 m−LiAlyMn1-y2の構造中に溶解するAlの最大量は制限されうる。
図5と6は、密閉容器に入れて室温において6か月間貯蔵した後のLiAl0.25 Mn0.752のSTEM像とX線組成マップとを示す。全く異なるAl富化領域
とMn富化領域とへの粉末の分離が見られる。エネルギー分散性X線スペクトル
の分析は、Alの約5原子%が混合固溶体m−LiAlyMn1-y2中に残るこ
とを示した。図7は貯蔵前後のこの粉末からのX線回折結果を示す。非晶質相の
存在を実証することができる幅広いバックグラウンドが貯蔵後に出現している。
単斜晶系α−NaFeO2相のピーク強度及びピーク位置も変化している。これ
らの結果は、m−LixAlyMn1-y2固溶体が室温においてもAl富化酸化物
とMn富化酸化物とに相分離する傾向を有することを示す。
The maximum amount of Al that dissolves in the structure of m-LiAl y Mn 1-y O 2 can be limited.
5 and 6 show STEM images and X-ray composition maps of LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 after storage in a closed container at room temperature for 6 months. A completely different separation of the powder into Al- and Mn-rich regions can be seen. Analysis of energy dispersive X-ray spectrum showed that about 5 atomic% of Al remains in the mixed solid solution m-LiAl y Mn 1-y O 2. FIG. 7 shows the results of X-ray diffraction from this powder before and after storage. A broad background has emerged after storage that can demonstrate the presence of an amorphous phase.
The peak intensity and peak position of the monoclinic α-NaFeO 2 phase also changed. These results indicate that the m-Li x Al y Mn 1-y O 2 solid solution has a tendency to phase separate into an Al-enriched oxide and a Mn-enriched oxide even at room temperature.

【0037】 このような分離は電気化学的サイクリング中にも生じて、再充電可能なリチウ
ム電池においてAl富化酸化物がMn富化酸化物を、電解質を含む周囲媒質への
暴露から保護する構造をもたらす傾向がある。次に、表面層としてのアルミニウ
ム成分の自然分離が下方の挿入化合物をリチウム・イオン電池の環境において溶
解と化学的アタックとから保護し、安定化して、それによって大きい充電容量、
サイクリング時の小さい容量減衰及び高温における容量低下に対する大きい安定
性に寄与することができる。
[0037] Such separation also occurs during electrochemical cycling, where the Al-enriched oxide protects the Mn-enriched oxide in a rechargeable lithium battery from exposure to the surrounding medium containing the electrolyte. Tend to bring about. Second, the natural separation of the aluminum component as a surface layer protects and stabilizes the underlying intercalation compound from dissolution and chemical attack in a lithium ion battery environment, thereby increasing the charge capacity,
It can contribute to low volume decay during cycling and high stability against volume loss at high temperatures.

【0038】 自然に分離する、多成分酸化物挿入化合物の他の成分も、この場合にアルミニ
ウム酸化物/水酸化物が果たす保護役割を果たすことができる。他のこのような
成分は酸化ホウ素、酸化リン、酸化ケイ素及び3d金属の酸化物を包含する。
Other components of the multicomponent oxide intercalating compound, which are naturally separated, can also play a protective role in this case played by the aluminum oxide / hydroxide. Other such components include boron oxide, phosphorus oxide, silicon oxide and oxides of 3d metals.

【0039】室温電気化学的性質 テフロン・ホルダー付きのステンレス鋼電極2個を含む電気化学的試験セル中
で、挿入化合物を試験した。酸化物粉末、カーボンブラック(Cabot)、黒
鉛(TIMCAL America)及びポリ(ビニリデンフルオリド)(PV
DF)(Aldrich)を78:6:6:10の重量比率で一緒に混合するこ
とによって、陰極を製造した。PVDFを、他の成分と混合する前に、γ−ブチ
ロラクトン(Aldrich)中に予め溶解した。γ−ブチロラクトンを空気中
、150℃において蒸発させた後に、成分を約4t/cm2圧力において圧縮し
て、重量10〜25mg、断面積0.5cm2のペレットを形成した。次に、ペ
レットを一次真空(primary vacuum)下、140℃において24時間乾燥させ、ア
ルゴン充填グローブボックスに移した。0.75mm厚さのリチウム・リボン(
Aldrich)を陽極として用いた。セパレータはCelgard2400TM (Hoechst−Celanese,Charlotte,NC)のフィルム
であり、電解質はエチレンカーボネート(EC)とジエチレンカーボネート(D
EC)中のLiPF6の1M溶液から成った。ECのDECに対する比率は体積
で1:1であった。全てのセル取り扱いはアルゴン充填グローブボックス内で行
った。MACCOR自動化試験装置(Series4000)によって、充電−
放電試験を行なった。2.0Vと4.4Vの電圧限界間でセルを充電し、放電し
た。
Room temperature electrochemical properties The insertion compounds were tested in an electrochemical test cell containing two stainless steel electrodes with a Teflon holder. Oxide powder, carbon black (Cabot), graphite (TIMCAL America) and poly (vinylidene fluoride) (PV
The cathode was prepared by mixing together DF) (Aldrich) in a weight ratio of 78: 6: 6: 10. PVDF was pre-dissolved in gamma-butyrolactone (Aldrich) before mixing with the other components. After evaporating γ-butyrolactone in air at 150 ° C., the components were compressed at about 4 t / cm 2 pressure to form pellets weighing 10-25 mg and having a cross-sectional area of 0.5 cm 2 . Next, the pellet was dried under primary vacuum at 140 ° C for 24 hours and transferred to an argon-filled glove box. 0.75mm thick lithium ribbon (
Aldrich) was used as the anode. The separator is a film of Celgard 2400 (Hoechst-Celanese, Charlotte, NC) and the electrolyte is ethylene carbonate (EC) and diethylene carbonate (D
Consisted of a 1 M solution of LiPF 6 in EC). The ratio of EC to DEC was 1: 1 by volume. All cell handling was performed in an argon-filled glove box. Charged by MACCOR automated test equipment (Series 4000)
A discharge test was performed. The cell was charged and discharged between the voltage limits of 2.0V and 4.4V.

【0040】 図8は、陰極としてm−LiAl0.25Mn0.752(945℃,PO2=10-6 atmにおいて焼成)を、陽極としてリチウム金属を用いて製造したセルの第1
充電−放電曲線(C/5レート(rate))を示す。セルが〜4.1Vにおける単一
充電電圧プラトーを示し、約203mAh/gの第1充電容量を有する。(本明
細書の全ての場合に、容量は酸化物重量に基づいて算出される)。第1放電曲線
は約119mAh/gの容量と、2つの電圧段階の出現とを示す。さらにサイク
リングした後に、電圧段階はより明確になる。図8はさらに、第20サイクルに
おける充電−放電曲線を示す、この曲線では〜4Vと〜3Vにおける2つのプラ
トーが見られ、2つの異なるリチウム部位における挿入が実証される。m−Li
Al0.05Mn0.952組成物は同様な室温特徴を示す。したがって、これらの試
験は、本発明の単斜晶系化合物が八面体部位の層を占めるLi及び(Al,Mn
)の両方のカチオンによって合成されることを示す。電気化学的サイクリング時
に、リチウムが四面体部位と八面体部位の両方中に挿入されうる。図9は、C/
5レートにおける2.0V〜4.4Vの範囲内のサイクリング中のm−LiAl 0.25 Mn0.752の充電容量及び放電容量の展開を示す。最初の5サイクルにわ
たって約100mAh/gまでの容量の初期低下が見られるが、さらなるサイク
リングによって放電容量は徐々に増加し、約15サイクル後に、〜148mAh
/gにおいて飽和状態になる。サイクリングを4Vと3Vプラトーの両方にわた
って容量減衰なしに行うことができるという事実は、サイクリング時に3V領域
に急速に容量が低下するLiMn24スピネルとは明らかに異なる挙動である。
m−LiAl0.25Mn0.752物質をより低いC/15レートにおいても試験し
た。任意のサイクリング減衰を促進するために、サンプルを最初にC/5レート
において12回サイクリングした。C/15レートにおける第13サイクルはC
/5レートにおける結果と比較して図10に示す。可逆的容量が低いレートでは
545Wh/kgのエネルギー密度によって182mAh/gに増加することが
見られる。C/5レートでは、エネルギー密度は450Wh/kgである。
FIG. 8 shows m-LiAl as a cathode.0.25Mn0.75OTwo(945 ° C, POTwo= 10-6 atm), the first of the cells manufactured using lithium metal as the anode.
2 shows a charge-discharge curve (C / 5 rate). Single cell at ~ 4.1V
FIG. 4 shows a charging voltage plateau, having a first charging capacity of about 203 mAh / g. (Honmei
In all cases, the volume is calculated on the basis of oxide weight). First discharge curve
Indicates a capacity of about 119 mAh / g and the appearance of two voltage steps. More cycling
After ringing, the voltage steps become more pronounced. FIG. 8 further shows in the 20th cycle
FIG. 4 shows a charge-discharge curve in FIG.
A toe is seen, demonstrating insertion at two different lithium sites. m-Li
Al0.05Mn0.95OTwoThe composition exhibits similar room temperature characteristics. Therefore, these trials
The experiment showed that the monoclinic compound of the present invention occupies a layer of octahedral site in Li and (Al, Mn).
) Is synthesized by both cations. During electrochemical cycling
Alternatively, lithium can be inserted into both tetrahedral and octahedral sites. FIG. 9 shows C /
M-LiAl during cycling in the range of 2.0 V to 4.4 V at 5 rates 0.25 Mn0.75OTwo1 shows the development of the charge capacity and the discharge capacity. First 5 cycles
An initial drop in capacity to only about 100 mAh / g is seen,
The ring gradually increases the discharge capacity, and after about 15 cycles, ~ 148 mAh
/ G is saturated. Cycling on both 4V and 3V plateaus
The fact that it can be done without capacity attenuation
LiMn whose capacity decreases rapidlyTwoOFourThe behavior is clearly different from spinel.
m-LiAl0.25Mn0.75OTwoThe material was also tested at lower C / 15 rates
Was. To facilitate any cycling decay, first sample at C / 5 rate
Cycled 12 times. The 13th cycle at C / 15 rate is C
FIG. 10 shows a comparison with the result at the / 5 rate. At low reversible capacity rates
With an energy density of 545 Wh / kg, it can be increased to 182 mAh / g.
Can be seen. At the C / 5 rate, the energy density is 450 Wh / kg.

【0041】高温電気化学的性質 化合物m−LiAl0.05Mn0.952及びm−LiAl0.25Mn0.752を55
℃〜70℃の高温において上記と同じセル構造中で試験した。典型的な先行技術
LiMn24スピネルは、このような高温におけるサイクリング時に及びこのよ
うな高温における貯蔵時に急速に容量を失う。例えばラップトップ・コンピュー
タ又は高い放電レート用途のような、熱が発生する用途に用いるために、このこ
とは慣用的なLiMn24スピネルの用途に対する大きな限定である。本発明の
化合物の試験を促進するために、C/2レート(Cは容量であり、C/2は2時
間で完全に充電又は放電することを意味する)にほぼ相当する1.6mA/cm 2 の充電電流と、C/8レートにほぼ相当する0.4mA/cm2の放電電流密度
とを用いた。図11はm−LiAl0.25Mn0.752セルに対する60℃及び7
0℃におけるサイクリング試験を示す。最初の3サイクルは60℃において行っ
てから、温度を70℃に高めた。全体で7サイクル後に、エネルギー密度は48
2Wh/kgである。図12はm−LiAl0.25Mn0.752セルに関する室温
(23℃)及び55℃における試験結果を示す。明らかに、容量は室温における
よりも55℃における方が高い。この結果は先行技術に基づくと驚くべきことで
ある。図13〜16は、55℃におけるm−LiAl0.05Mn0.952における
それぞれ第1、第6、第17及び第34サイクルの充電−放電曲線を示す。これ
らは、室温試験と同様に、2つの電圧プラトーを含む電圧プロフィルへの迅速な
展開を示す。図17は55℃におけるm−LiAl0.05Mn0.952及びm−L
iAl0.25Mn0.752に関する拡張したサイクリング結果(2.0〜4.4V
)を示す。m−LiAl0.05Mn0.952に関しては、容量は42サイクル後に
150mAh/gを超えてとどまる。m−LiAl0.25Mn0.752に関しては
、容量は最初の10サイクルにわたって200mAh/gを超えるプラトー値に
まで上昇する。STEM結果から、これらの2種類の組成物の固溶体相が同様な
組成を有し、m−LiAl0.05Mn0.952の高い容量が電気化学的に不活性な
酸化アルミニウム相の量が少ないことによることが理解される。55℃における
65サイクル後に、m−LiAl0.05Mn0.952を室温に冷却したところ、約
120mAh/g容量を示した。
[0041]High temperature electrochemical properties Compound m-LiAl0.05Mn0.95OTwoAnd m-LiAl0.25Mn0.75OTwo55
Tests were carried out in the same cell structure as above at elevated temperatures of from 70C to 70C. Typical prior art
LiMnTwoOFourSpinel is useful for cycling at these high temperatures
Rapidly loses capacity when stored at elevated temperatures. For example, laptop computer
For use in applications that generate heat, such as heat sinks or high discharge rate applications.
Is conventional LiMnTwoOFourA major limitation on spinel applications. Of the present invention
To facilitate testing of compounds, the C / 2 rate (C is volume and C / 2 is 2 hours
1.6 mA / cm, which substantially corresponds to fully charging or discharging between Two Charging current of 0.4 mA / cm, which is approximately equivalent to the C / 8 rateTwoDischarge current density
And were used. FIG. 11 shows m-LiAl0.25Mn0.75OTwo60 ° C and 7 for cell
3 shows a cycling test at 0 ° C. The first three cycles are performed at 60 ° C
Thereafter, the temperature was increased to 70 ° C. After a total of 7 cycles, the energy density is 48
2 Wh / kg. FIG. 12 shows m-LiAl0.25Mn0.75OTwoRoom temperature for cell
The test results at (23 ° C.) and 55 ° C. are shown. Obviously, the capacity at room temperature
It is higher at 55 ° C than at 55 ° C. This result is surprising based on the prior art.
is there. 13 to 16 show m-LiAl at 55 ° C.0.05Mn0.95OTwoIn
The charge-discharge curves of the first, sixth, seventeenth, and thirty-fourth cycles, respectively, are shown. this
Et al., As in the room temperature test, provide a quick access to a voltage profile that includes two voltage plateaus.
Indicates deployment. FIG. 17 shows m-LiAl at 55 ° C.0.05Mn0.95OTwoAnd ML
iAl0.25Mn0.75OTwoExtended cycling results (2.0-4.4 V
). m-LiAl0.05Mn0.95OTwoAs for the capacity after 42 cycles
Stays above 150 mAh / g. m-LiAl0.25Mn0.75OTwoabout
, Capacity to plateau over 200 mAh / g over the first 10 cycles
To rise. From the STEM results, the solid solution phases of these two compositions were similar.
Having the composition m-LiAl0.05Mn0.95OTwoHigh capacity is electrochemically inert
It is understood that this is due to the small amount of the aluminum oxide phase. At 55 ° C
After 65 cycles, m-LiAl0.05Mn0.95OTwoAfter cooling to room temperature,
It showed a capacity of 120 mAh / g.

【0042】 これらの結果は、本発明の化合物が慣用的な酸化マンガン・リチウムスピネル
の電気化学的性質よりも優れた電気化学的性質を有することを示す。これらの性
質は、両方の電圧プラトーにわたってサイクリングされたときに急速に容量を失
う、NaMnO2とのLiのイオン交換によって製造される単斜晶系LiMnO2 の性質よりも優れている(G.VitinsとK.West,J.Electr
ochem.Soc.,144巻,8号,2587〜2592頁,1997)。
両方の電圧プラトーにわたってサイクリングされたときの、本発明の挿入化合物
の安定性は該化合物の実際の容量及びエネルギー密度を、有意な容量低下を招く
ことなしには1電圧プラトーにわたってのみ反復サイクリングされうる他のLi
−Mn−O化合物に比べて高める。酸化マンガン・リチウムへのAl添加がこの
ような改良を生じるという事実は、先行技術に基づくと、驚くべきものである。
実際に、F.Le Cras等(Solid State Ionics,89
巻,203〜213頁,1996)は、組成物LiAlMnO4のスピネルが同
様な電圧範囲にわたってのサイクリング時に迅速な容量低下を示すことを、本発
明からの教示なしに、報告している。
These results indicate that the compounds of the present invention have electrochemical properties superior to those of conventional lithium manganese oxide spinel. These properties are superior to those of the monoclinic LiMnO 2 produced by ion exchange of Li with NaMnO 2 , which rapidly loses capacity when cycled across both voltage plateaus (G. Vitins). And K. West, J. Electr
ochem. Soc. 144, 8, No. 2587-2592, 1997).
The stability of the insertion compounds of the present invention when cycling over both voltage plateaus reduces the actual capacity and energy density of the compound, and can only be cycled repeatedly over one voltage plateau without significant loss of capacity. Other Li
-Increased compared to Mn-O compounds. The fact that the addition of Al to lithium manganese oxide results in such an improvement is surprising, based on the prior art.
In fact, F. Le Cras et al. (Solid State Ionics, 89
, Pp. 203-213, 1996), that the spinel composition LiAlMnO 4 shows cycling rapid volume reduction upon over similar voltage range, without the teachings of the present invention, are reported.

【0043】斜方晶系LixAlyMn1-y2 本発明のさらなる実施態様は、有機液体電解質を用いるリチウム電池における
高温安定性と、非常に高い容量及びエネルギー密度とを有する斜方晶系Lix
yMn1-y2の合成をも含む。実施例2は、このような化合物が合成されうる
ことを示す。
Orthorhombic Li x Al y Mn 1-y O 2 A further embodiment of the present invention relates to an orthorhombic Lithium battery using an organic liquid electrolyte, which has high temperature stability and very high capacity and energy density. Crystalline Li x A
l also includes the synthesis of y Mn 1-y O 2. Example 2 shows that such compounds can be synthesized.

【0044】実施例2:斜方晶系LixAlyMn1-y2化合物 出発組成物Li1.05Al0.05Mn0.952を実施例1の方法によって製造し、
酸素分圧10-6atmを生じるCO/CO2混合物中で900℃において2時間
焼成した。図19は、組成物が3相:単斜晶系LixAlyMn1-y2、斜方晶系
LixAlyMn1-y2及びLi2MnO3を含有することを示す。この結果は、斜
方晶系LixAlyMn1-y2化合物が得られることを示す。
Example 2 An orthorhombic Li x Al y Mn 1-y O 2 compound starting composition Li 1.05 Al 0.05 Mn 0.95 O 2 was prepared by the method of Example 1,
Calcination at 900 ° C. for 2 hours in a CO / CO 2 mixture producing an oxygen partial pressure of 10 −6 atm. FIG. 19 shows that the composition contains three phases: monoclinic Li x Al y Mn 1-y O 2 , orthorhombic Li x Al y Mn 1-y O 2 and Li 2 MnO 3. . This result indicates that an orthorhombic Li x Al y Mn 1-y O 2 compound is obtained.

【0045】 第2実験では、総合組成Li1.05Al0.05Mn0.952の先駆体を実施例1の
方法によって製造した。この組成物は、先行実施例において述べたように、還元
性雰囲気下で945℃において焼成したときに、m−LixAlyMn1-y2を以
前に生じた。この先駆体を酸素分圧PO2=10-10atmを生じるCO/CO2
ガス雰囲気中で900℃において2時間焼成した。得られた物質のX線回折図は
図19に示す。この図は、斜方晶系相としての主要相がごく少量の単斜晶系相及
び非常に微量のMn34のみと共に検出可能であることをことを示す。
In a second experiment, a precursor with a total composition of Li 1.05 Al 0.05 Mn 0.95 O 2 was produced by the method of Example 1. This composition previously produced m-Li x Al y Mn 1-y O 2 when fired at 945 ° C. under a reducing atmosphere, as described in the preceding examples. CO / CO 2 which produces an oxygen partial pressure PO 2 = 10 −10 atm
The firing was performed at 900 ° C. for 2 hours in a gas atmosphere. An X-ray diffraction pattern of the obtained substance is shown in FIG. This figure shows that the major phase as the orthorhombic phase is detectable with only a small amount of monoclinic phase and very little Mn 3 O 4 .

【0046】 斜方晶系相がAlドープされているという証拠は下記を包含する。サンプルは
カチオン規模で全体で約5%のAlを含有する。X線回折ピークの強度から、多
くとも15モル%の単斜晶系相と5モル%のMn34とが存在することが判明す
る。本発明者の以前の実験は、945℃での単斜晶系相中へのAlの固体溶解度
は約5%であることを示している。900℃という本発明の焼成温度においては
、これはさらに低くなる。5%溶解度を全体の15%をなす単斜晶系相中のAl
量の上限と見なすと、4.25%のAlが斜方晶系相とMn34とに分配される
可能性が非常に大きい。Mn34の総量は多くとも約5%であるので、斜方晶系
相がAlドープされることができ、o−LixAlyMn1-y2が合成されている
可能性が非常に大きい。
The evidence that the orthorhombic phase is Al-doped includes: The sample contains a total of about 5% Al on a cationic scale. The intensity of the X-ray diffraction peak shows that at most 15 mol% of the monoclinic phase and 5 mol% of Mn 3 O 4 are present. Previous experiments by the inventor have shown that the solid solubility of Al in the monoclinic phase at 945 ° C. is about 5%. At the firing temperature of the present invention of 900 ° C., this is even lower. Al in monoclinic phase which makes 5% solubility 15% of the whole
Considering the upper limit of the amount, it is very likely that 4.25% of Al will be distributed between the orthorhombic phase and Mn 3 O 4 . Since the total amount of Mn 3 O 4 is at most about 5%, the orthorhombic phase can be doped with Al, and there is a possibility that o-Li x Al y Mn 1-y O 2 is synthesized. Very large.

【0047】 この化合物の好ましい実施態様は約0.25より少ないyのアルミニウム含量
を有する。 このo−LixAlyMn1-y2物質を実施例1で述べたように電気化学的セル
に作製した。図20は、充電電流が183mA/gであり、放電電流が91mA
/gであるサイクリング試験において、55℃の試験温度におけるサイクル回数
の関数として、このセルの放電容量を示す。これは、第10サイクルにおけるC
/0.8充電レート及びC/1.6放電レートにほぼ相当する高い電流密度であ
る。放電容量は最初の数サイクルにわたって迅速に増加し、第10サイクルにお
いて約150mAh/gの値に達した。相当するエネルギー密度は約450Wh
/kgである。図21〜23は、それぞれ、第1、第6及び第8サイクルの充電
−放電曲線を示す。ドープされていないo−LiAlMnO2物質と同様に、こ
の物質にコンディショニング段階を受けさせ、この段階中に2つの電圧プラトー
がサイクリング時に発生し、高い充電−放電レートでの反復サイクリング後に、
慣用的なLiMn24スピネルよりも著しく優れている容量及びエネルギー密度
を生じる。さらに、m−LixAlyMn1-y2化合物と同様に、この物質は高温
においてこれらの優れた性質を示す。したがって、再充電可能なリチウム電池用
の挿入電極としてのo−LixAlyMn1-y2の有用性を実証することができる
Preferred embodiments of this compound have an aluminum content of y less than about 0.25. This o-Li x Al y Mn 1-y O 2 material was made into an electrochemical cell as described in Example 1. FIG. 20 shows that the charging current is 183 mA / g and the discharging current is 91 mA.
The discharge capacity of this cell is shown as a function of the number of cycles at a test temperature of 55 ° C. in a cycling test of / g. This is because C in the 10th cycle
A high current density corresponding approximately to a /0.8 charge rate and a C / 1.6 discharge rate. The discharge capacity increased rapidly over the first few cycles, reaching a value of about 150 mAh / g in the tenth cycle. The corresponding energy density is about 450 Wh
/ Kg. 21 to 23 show charge-discharge curves of the first, sixth and eighth cycles, respectively. As with the undoped o-LiAlMnO 2 material, the material was subjected to a conditioning step during which two voltage plateaus occurred during cycling and after repeated cycling at high charge-discharge rates,
It produces a capacity and energy density that is significantly better than conventional LiMn 2 O 4 spinel. In addition, like the m-Li x Al y Mn 1-y O 2 compound, this material exhibits these excellent properties at elevated temperatures. Therefore, it is possible to demonstrate the utility of o-Li x Al y Mn 1 -y O 2 as insertion electrode for rechargeable lithium batteries.

【0048】多成分金属酸化物 本発明の他の態様は、例えば本明細書に述べるようなリチウム挿入粒子Lix
yz2のようなイオン挿入粒子でありうる粒状金属酸化物物質の外部上の遮
蔽層の形成を含む。これらの粒子は多成分金属酸化物の粒子であり、各々が第1
比率での少なくとも第1金属と第2金属との酸化物コアと、該第1比率で第1金
属と第2金属とを含有しない金属酸化物又は水酸化物の表面被膜とを包含する。
該表面被膜はコアからの第1金属と第2金属の少なくとも一方の偏析によって形
成されうる。これらの粒子は本明細書に述べるように電池配置に用いることがで
きる。表面層によって遮蔽される粒子は、1実施態様によると、多成分酸化物に
基づく挿入化合物の第1成分を複数個の化合物粒子から該複数個の粒子の表面に
不均衡に偏析させて、該粒子上に第1成分の保護層を形成することによって、製
造することができる。粒子を化学的分解条件に暴露させて、これらの条件下で粒
子が表面層を有さない同じ粒子よりも大きい丈夫さを示すように、層に粒子を化
学的分解条件から遮蔽させることができる。
Multicomponent Metal Oxides Another embodiment of the present invention is a lithium-intercalated particle Li x , for example as described herein.
It includes forming a shielding layer on the outside of the M y N z particulate metal oxide materials which may be ion intercalation particles such as O 2. These particles are multi-component metal oxide particles, each of which is a primary metal oxide.
Includes an oxide core of at least a first metal and a second metal in a ratio, and a metal oxide or hydroxide surface coating that does not contain the first metal and the second metal in the first ratio.
The surface coating may be formed by segregation of at least one of the first metal and the second metal from the core. These particles can be used in battery configurations as described herein. The particles shielded by the surface layer, according to one embodiment, disproportionately segregate the first component of the intercalation compound based on the multi-component oxide from the plurality of compound particles to the surface of the plurality of particles, It can be manufactured by forming a protective layer of the first component on the particles. The particles can be exposed to chemical degradation conditions and the layer can shield the particles from the chemical degradation conditions so that the particles exhibit greater robustness under these conditions than the same particles without a surface layer .

【0049】 好ましい実施態様では、挿入化合物はAl/Mn化合物であり、アルミニウム
成分をマンガン富化酸化物から偏析させて、非晶質アルミニウム酸化物又は水酸
化物が結晶性挿入化合物上の層として自然に形成される微細構造を生じる。この
表面層は下方の挿入化合物をリチウムイオン電池の環境における溶解及び化学的
アタックから保護し、安定化させ、それによって、大きな充電容量、サイクリン
グ時の小さい容量減衰及び高温における容量低下に対する大きい安定性に寄与す
る。
In a preferred embodiment, the insertion compound is an Al / Mn compound and the aluminum component is segregated from the manganese-enriched oxide so that the amorphous aluminum oxide or hydroxide is formed as a layer on the crystalline insertion compound. Produces a naturally formed microstructure. This surface layer protects and stabilizes the underlying intercalation compound from dissolution and chemical attack in the environment of the lithium-ion battery, thereby providing high charge capacity, low capacity decay when cycling and high stability against capacity loss at high temperatures. To contribute.

【0050】 本発明のこの態様は、自然に分離する傾向があり、表面層としてこのようにす
る傾向がある、多成分酸化物挿入化合物の任意の成分を含み、この表面層がこの
実施例においてアルミニウム酸化物/水酸化物が果たすような保護役割を果たす
ことができる。他のこのような成分は酸化ホウ素、酸化リン、酸化ケイ素及び3
d金属の酸化物を包含する。
This aspect of the invention includes an optional component of a multi-component oxide intercalating compound that tends to separate spontaneously and tends to do so as a surface layer, wherein the surface layer is in this example It can play a protective role as does aluminum oxide / hydroxide. Other such components are boron oxide, phosphorus oxide, silicon oxide and 3
d Includes metal oxides.

【0051】実施例3: 実施例1に従って製造された組成物LiAl0.25Mn0.752の粉末を空気中
、室温において4か月間貯蔵し、次に透過型電子顕微鏡検査(TEM)及び走査
透過型電子顕微鏡検査(STEM)によって検査した。この粉末は、粉末X線回
折によって、主要結晶相としてのα−NaFeO2構造型の単斜晶系誘導体を示
し、Mn富化結晶性酸化物粒子がAl富化した相の非晶質又はナノ結晶質層によ
って囲繞されている微細構造を示した。この層は恐らくはある程度水和されたア
ルミニウム酸化物である。これは物質LixAlyMn1-y2の総合組成から自然
に形成される傾向がある。
Example 3 A powder of the composition LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 prepared according to Example 1 is stored in air at room temperature for 4 months and then transmitted electron microscopy (TEM) and scanning transmission. Inspected by electron microscopy (STEM). This powder shows, by powder X-ray diffraction, an α-NaFeO 2 structure type monoclinic derivative as a main crystal phase, and the Mn-enriched crystalline oxide particles have an Al-enriched amorphous or nano-crystalline phase. A microstructure surrounded by a crystalline layer is shown. This layer is probably a partially hydrated aluminum oxide. This tends to form spontaneously from the overall composition of the substance Li x Al y Mn 1-y O 2 .

【0052】 LixAlyMn1-y2中へのアルミニウム添加の安定化効果は、α−NaFe
2構造型で安定化されるLiAl0.05Mn0.952によって試験を実施すること
によってある範囲の組成物に該当することが実証された。組成物LiAl0.05
0.952を実施例1に述べたような方法を用いて製造した。サンプルを還元性
雰囲気下、945℃において焼成した。X線回折(図24)は、得られた粉末が
、組成物LiAl0.25Mn0.752中に以前に見出されたような、α−NaFe
2構造型の単斜晶系誘導体を有することを示した。製造されたままのLiAl0 .05 Mn0.952粉末をVacuum Generator HB603 STE
M中で検査し、Al及びMnに関する明視野イメージングとエネルギー分散性X
線マッピングとを行った。図4は粉末粒子の明視野像を、Al及びMn分布を示
すX線マップと共に示す。Mnの存在は、粉末粒子全体を通して一定のAl/M
nX線相対強度比率で、Alの存在を付随するように思われる。この組成は均一
であるように最も思われ、初期には識別可能な表面層又は別々の領域へのAl及
びMnの分離は存在しない。
The stabilizing effect of adding aluminum to Li x Al y Mn 1-y O 2 is based on α-NaFe
Testing with LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 stabilized with the O 2 structural type demonstrated a range of compositions. Composition LiAl 0.05 M
n 0.95 O 2 was prepared using the method described in Example 1. The sample was fired at 945 ° C. under a reducing atmosphere. X-ray diffraction (FIG. 24) shows that the resulting powder was α-NaFe as previously found in the composition LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2.
It was shown to have monoclinic derivatives of the O 2 structure type. LiAl as produced 0 .05 Mn 0.95 O 2 powder Vacuum Generator HB603 STE
Inspection in M, bright field imaging and energy dispersibility X for Al and Mn
Line mapping was performed. FIG. 4 shows a bright field image of the powder particles together with an X-ray map showing Al and Mn distributions. The presence of Mn indicates a constant Al / M throughout the powder particles.
It appears to be accompanied by the presence of Al in nX-ray relative intensity ratios. This composition seems most likely to be homogeneous, with no initial separation of Al and Mn into discernable surface layers or discrete regions.

【0053】 図5と6は、密閉容器に入れて6か月間室温において貯蔵した後のLiAl0. 25 Mn0.752粉末に関するSTEM結果を示す。別個のAl富化領域とMn富
化領域とへの粉末の分離が観察される。図7は貯蔵前後のこの粉末からのX線回
折結果を示す。典型的に非晶質相の存在を示す、幅広いバックグラウンドが貯蔵
後に出現している。単斜晶系α−NaFeO2相のピーク強度とピーク位置も変
化している。これらの結果は、本発明によって製造されたLixAlyMn1-y2 固溶体が、室温においても、Al富化酸化物とMn富化酸化物への相分離の強い
傾向を有することを示すと考えられる。このような分離は電気化学的サイクリン
グ中に生じて、Al富化酸化物が再充電可能なリチウム電池における電解質を含
む周囲媒質への暴露からMn富化酸化物を保護する構造をもたらすことができる
[0053] Figure 5 and 6 shows the STEM results for LiAl 0. 25 Mn 0.75 O 2 powder after storage at six months at room temperature in a sealed container. Separation of the powder into separate Al- and Mn-rich regions is observed. FIG. 7 shows the results of X-ray diffraction from this powder before and after storage. A broad background appears after storage, typically indicating the presence of an amorphous phase. The peak intensity and peak position of the monoclinic α-NaFeO 2 phase also changed. These results show that the Li x Al y Mn 1-y O 2 solid solution produced according to the present invention has a strong tendency of phase separation into Al-rich oxide and Mn-rich oxide even at room temperature. It is thought to show. Such separation can occur during electrochemical cycling, resulting in a structure where the Al-enriched oxide protects the Mn-enriched oxide from exposure to ambient media, including electrolytes, in rechargeable lithium batteries. .

【0054】挿入化合物の混合物を用いた組成物包含陰極 上記化合物の任意の1種類によって与えられる利点は、任意の2種類以上の混
合物においても実現することができる。即ち、前記で考察した、高いエネルギー
密度、長いサイクル寿命及び高温安定性の利点を実現するために、単相化合物を
得ることは必要ない。別々に製造された粉末を物理的に混合することによって、
又は実施例2によって例示したように、2相以上を生じるように単一物質を製造
することによって、このような混合物を得ることができる。従って、本発明の1
態様では、混合物は少なくとも2種類の混合物を含む複合挿入物質である。
Composition-Containing Cathode Using Mixture of Insertion Compounds The advantages afforded by any one of the above compounds can be realized in any mixture of two or more. That is, it is not necessary to obtain a single phase compound to achieve the advantages of high energy density, long cycle life and high temperature stability discussed above. By physically mixing the separately manufactured powders,
Alternatively, as exemplified by Example 2, such a mixture can be obtained by producing a single substance to produce more than one phase. Therefore, according to the present invention,
In embodiments, the mixture is a composite insert comprising at least two mixtures.

【0055】 1実施態様では、混合物によって定義された複合体は少なくとも2種類の異な
る化合物を含み、該少なくとも2種類の異なる化合物の各々が少なくとも約1%
、好ましくは少なくとも約5%、より好ましくは少なくとも約10%の量で存在
する。少なくとも2種類の異なる化合物の各々は、一部の実施態様では、例えば
少なくとも約25%又は35%のような、多量で存在することができる。
In one embodiment, the complex defined by the mixture comprises at least two different compounds, each of the at least two different compounds having at least about 1%
, Preferably at least about 5%, more preferably at least about 10%. Each of the at least two different compounds can be present in large amounts, in some embodiments, for example, at least about 25% or 35%.

【0056】 1実施態様では、少なくとも2種類の化合物を含む複合挿入物質は斜方晶系構
造LixAlyMn1-y2[yは0ではない]を有する少なくとも1種類の化合物
を含む。他の実施態様では、複合挿入物質は斜方晶系及び単斜晶系のLixAly Mn1-y2の混合物を含む。他の実施態様では、複合体は単斜晶系のLixAly Mn1-y2と斜方晶系LixMnO2又はLixAlyMn1-y2を含む。
In one embodiment, the composite intercalant comprising at least two compounds comprises at least one compound having an orthorhombic structure Li x Al y Mn 1-y O 2 [y is not zero]. . In another embodiment, the composite intercalant comprises a mixture of orthorhombic and monoclinic Li x Al y Mn 1-y O 2 . In other embodiments, the complex comprises Li x Al y Mn 1-y O 2 and orthorhombic Li x MnO 2 or Li x Al y Mn 1-y O 2 monoclinic.

【0057】 このような混合物は単一化合物又は相によっては得られないような、性質の付
加的改良を与えることができる。特定の実施態様は、有利である電圧−対−容量
曲線(本明細書の以下では“電圧プロフィル”と呼ぶ)を生じる。上記結果は、
単斜晶系LixAlyMn1-y2と斜方晶系LixMnO2又はLixAlyMn1-y
2がリチウム挿入及び脱挿入の異なる速度を有し、後者の2種類の化合物が典
型的に遅いことを示している。しかし、両方の化合物は約4Vと約3Vとにプラ
トーを有する二段階電圧プロフィルを示す。両方の化合物が1つの電極中に存在
する場合には、これらは異なる速度でリチウムを挿入し、脱挿入する。このこと
は、得られる化合物の電圧プロフィルがあまり鮮明に画定されないプラトーを有
するような、“電圧平均化”の効果を有する。多くの電池用途では、徐々に変化
する電圧プロフィルが有利である。
Such a mixture can provide additional improvements in properties that are not obtained with a single compound or phase. Certain embodiments result in advantageous voltage versus capacity curves (hereinafter referred to as "voltage profiles"). The above result is
Monoclinic Li x Al y Mn 1-y O 2 and orthorhombic Li x MnO 2 or Li x Al y Mn 1-y
O 2 has different rates of lithium insertion and deinsertion, indicating that the latter two compounds are typically slow. However, both compounds show a two-step voltage profile with a plateau at about 4V and about 3V. If both compounds are present in one electrode, they insert and deinsert lithium at different rates. This has the effect of "voltage averaging", such that the voltage profile of the resulting compound has a poorly defined plateau. For many battery applications, a gradually changing voltage profile is advantageous.

【0058】 上述したような滑らかな電圧プロフィルを生じる複合電極は、全く異なるリチ
ウム化学拡散速度を有する異なる化合物の混合物によって、又は同様な若しくは
同じリチウム化学拡散速度を有する、但し異なる粒度を有する、化合物の混合物
によって得られる。このような電圧滑らかさ(voltage smoothing)を得るために
、電極における律速輸送段階(rate-limiting transport step)は1種類以上の挿
入化合物における拡散であるように最も思われる。このような複合陰極は実施例
1〜3の化合物によって得ることができるのみでなく、個々の挿入化合物の任意
の組み合わせによっても得ることができ、化合物中のリチウム拡散が律速である
ように、電極構造における全く異なるリチウム化学拡散速度又は広範囲に変化す
る粒度という必要条件を満たす。
A composite electrode that produces a smooth voltage profile as described above can be obtained by mixing compounds with different compounds with completely different lithium chemical diffusion rates or with similar or the same lithium chemical diffusion rates, but with different particle sizes. Obtained by a mixture of In order to obtain such voltage smoothing, the rate-limiting transport step at the electrode most likely appears to be diffusion in one or more intercalating compounds. Such a composite cathode can be obtained not only by the compounds of Examples 1 to 3, but also by any combination of the individual insertion compounds, so that the lithium diffusion in the compound is rate-limiting. It meets the requirements of completely different lithium chemical diffusion rates or widely varying particle sizes in the structure.

【0059】 本発明の1態様は、少なくとも2種類の個々の挿入化合物を含有し、各化合物
が異なるリチウム化学拡散速度と、任意の非複合挿入化合物の電圧対容量プロフ
ィルよりも連続的に変化する電圧対容量プロフィルとを有する複合挿入化合物を
提供する。
One embodiment of the present invention contains at least two individual insertion compounds, each compound having a different lithium chemical diffusion rate and a more continuous change than the voltage versus capacity profile of any non-complex insertion compound. A composite insertion compound having a voltage versus capacity profile is provided.

【0060】 本発明の他の態様は、少なくとも2種類の個々の挿入化合物を含有し、各化合
物が異なる粒度と、任意の非複合挿入化合物の電圧対容量プロフィルよりも連続
的に変化する電圧対容量プロフィルとを有する複合挿入化合物を提供する。
Another aspect of the invention is that the compound contains at least two individual insertion compounds, each compound having a different particle size and a voltage versus voltage profile that varies more continuously than the voltage versus capacity profile of any non-composite insertion compound. A composite insertion compound having a volume profile is provided.

【0061】 1実施態様では、リチウム電池の電極は上述したような、異なる粒度と、電圧
対容量プロフィルとを有する化合物を含有し、この場合に該化合物は電極中の最
も遅いリチウム輸送段階を該化合物中のリチウムの拡散であるようにするために
充分な粒度を有する。
In one embodiment, the lithium battery electrode contains a compound having a different particle size and a voltage versus capacity profile, as described above, wherein the compound causes the slowest lithium transport step in the electrode to occur. It has a sufficient particle size to be the diffusion of lithium in the compound.

【0062】 本発明の1実施態様では、複合挿入物質は、電気化学的サイクリング時に約4
Vにおける単一プラトーからそれぞれ約4Vと3Vにおける2つのプラトーまで
の電圧対容量曲線の変化を有する、少なくとも1種類の化合物を有する少なくと
も2種類の化合物を含む。
[0062] In one embodiment of the present invention, the composite intercalator comprises about 4 times during electrochemical cycling.
At least two compounds having at least one compound having a change in voltage versus capacity curve from a single plateau at V to two plateaus at about 4V and 3V, respectively.

【0063】 本発明の1態様では、2.0〜4.4Vの電圧範囲にわたって少なくとも約1
00mAh/gの放電容量と、50サイクル後の少なくとも約400Wh/kg
のエネルギー密度とを有する、少なくとも1種類の化合物を有する少なくとも2
種類の化合物を含む。
In one aspect of the invention, at least about 1 over a voltage range of 2.0 to 4.4V.
00 mAh / g discharge capacity and at least about 400 Wh / kg after 50 cycles
At least one compound having at least one compound having an energy density of
Class of compounds.

【0064】 本明細書に挙げた全てのパラメータが例示であるように意味することと、実際
のパラメータが、本発明の方法及び装置が適用される特定の用途に依存すること
は、当業者に容易に理解されるであろう。それ故、上記実施態様が例としてのみ
提示されるものであり、特許請求の範囲及びその同等物の範囲において、本発明
が本明細書に述べられた以外の方法で実施されうることを理解すべきである。
It is understood by those skilled in the art that all parameters listed herein are meant to be exemplary, and that the actual parameters will depend on the particular application to which the method and apparatus of the present invention will be applied. It will be easily understood. Therefore, it is understood that the above embodiments are provided by way of example only, and, within the scope of the appended claims and their equivalents, the invention may be practiced otherwise than as described herein. Should.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施例1に従って製造され、種々な酸素分圧下、945℃において2時間焼成
されたLiAlyMn1-y2の粉末X線回折パターンを示す(中黒円:hkl表
示付きm−LiMnO2;*:o−LiMnO2;+:LiMn24;中抜き円:
Li2MnO3;中抜き方形:LiAlO2)。LiAl0.05Mn0.952の上部パ
ターンはPO2=10-7atm焼成条件に対応する。
FIG. 1 shows the powder X-ray diffraction pattern of LiAl y Mn 1-y O 2 produced according to Example 1 and calcined at 945 ° C. for 2 hours under various oxygen partial pressures (middle circle: m with hkl designation) -LiMnO 2; *: o-LiMnO 2; +: LiMn 2 O 4; the hollowed circle:
Li 2 MnO 3 ; hollow square: LiAlO 2 ). The upper pattern of LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 corresponds to the firing condition of PO 2 = 10 −7 atm.

【図2】 (a)m−LiMnO2;(b)m−LiAl0.25Mn0.752及び(c)Li 2 Mn24のシミュレートしたX線回折パターンを(d)実施例1に従って製造
されたLiAl0.25Mn0.752の実験パターンと比較して示す。
FIG. 2 (a) m-LiMnOTwo(B) m-LiAl0.25Mn0.75OTwoAnd (c) Li Two MnTwoOFourSimulated X-ray diffraction pattern of (d) produced according to Example 1
LiAl0.25Mn0.75OTwoThis is shown in comparison with the experimental pattern shown in FIG.

【図3】 実施例1に従って製造された、ドープされていない先駆体の、945℃及びP
2=10-6atmにおいて2時間焼成した後の粉末X線回折パターンを示す(
*:o−LiMnO2;◇:Mn34)。
FIG. 3 shows the undoped precursor prepared according to Example 1 at 945 ° C. and P
The powder X-ray diffraction pattern after calcination at O 2 = 10 −6 atm for 2 hours is shown (
*: O-LiMnO 2 ; Δ: Mn 3 O 4 ).

【図4】 実施例1に従って製造されたm−LiAl0.05Mn0.952の粉末粒子の明視
野走査透過型電子顕微鏡像のフォトコピーを、Al及びMn分布を示すエネルギ
ー分散性X線マップと共に示す。
FIG. 4 shows a photocopy of a bright-field scanning transmission electron microscope image of m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 powder particles produced according to Example 1, together with an energy dispersive X-ray map showing the Al and Mn distribution. .

【図5】 実施例1に従って製造され、室温において6か月間貯蔵された後のm−LiA
0.25Mn0.752の粉末粒子の明視野走査透過型電子顕微鏡像のフォトコピー
を、Al及びMn分布を示すエネルギー分散性X線マップと共に示す。
FIG. 5: m-LiA manufactured according to Example 1 and stored at room temperature for 6 months.
Shown is a photocopy of a bright field scanning transmission electron microscope image of l 0.25 Mn 0.75 O 2 powder particles, along with an energy dispersive X-ray map showing Al and Mn distributions.

【図6】 実施例1に従って製造され、室温において6か月間貯蔵された後のm−LiA
0.25Mn0.752の粉末粒子の明視野走査透過型電子顕微鏡像のフォトコピー
を、Al及びMn分布を示すエネルギー分散性X線マップと共に示す。
FIG. 6: m-LiA prepared according to Example 1 and stored at room temperature for 6 months.
Shown is a photocopy of a bright field scanning transmission electron microscope image of l 0.25 Mn 0.75 O 2 powder particles, along with an energy dispersive X-ray map showing Al and Mn distribution.

【図7】 実施例1に従って製造されたm−LiAl0.25Mn0.752の、室温において
6か月間貯蔵した前後の、粉末X線回折パターンを比較する。
FIG. 7 compares the powder X-ray diffraction patterns of m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 prepared according to Example 1 before and after storage at room temperature for 6 months.

【図8】 実施例1によるm−LiAl0.25Mn0.752を含有する電気化学的試験セル
の(a)サイクル1及び(b)サイクル20の、2.0V〜4.4V間の0.4
mA/cm2電子密度(C/5レート)における充電−放電曲線を示す。
8: 0.4 of the electrochemical test cell containing m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 according to Example 1 between 2.0 V and 4.4 V in (a) cycle 1 and (b) cycle 20. FIG.
3 shows a charge-discharge curve at an electron density of mA / cm 2 (C / 5 rate).

【図9】 実施例1によるm−LiAl0.25Mn0.752を含有する電気化学的試験セル
の、2.0V〜4.4V間の0.4mA/cm2電子密度(C/5レート)にお
ける比容量対サイクル数を示す。
FIG. 9 shows an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 according to Example 1 at 0.4 mA / cm 2 electron density (C / 5 rate) between 2.0 V and 4.4 V. Shows specific capacity versus cycle number.

【図10】 実施例1に述べたようにサイクリングされたm−LiAl0.25Mn0.752
含有する電気化学的試験セルのC/5レート及びC/15レートにおける放電曲
線を示す。
FIG. 10 shows discharge curves at C / 5 and C / 15 rates for an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 cycled as described in Example 1.

【図11】 実施例1に述べたように60℃及び70℃においてサイクリングされたm−L
iAl0.25Mn0.752を含有する電気化学的試験セルの電圧対時間結果を示す
FIG. 11: mL cycled at 60 ° C. and 70 ° C. as described in Example 1.
Figure 4 shows voltage versus time results for an electrochemical test cell containing iAl 0.25 Mn 0.75 O 2 .

【図12】 実施例1によるm−LiAl0.25Mn0.752を含有する電気化学的試験セル
の、室温(23℃)及び55℃における比容量対サイクル数を示す。
FIG. 12 shows the specific capacity versus the number of cycles at room temperature (23 ° C.) and 55 ° C. for an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.25 Mn 0.75 O 2 according to Example 1.

【図13】 実施例1によるm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セル
の、55℃における第1充電−放電曲線を示す。
FIG. 13 shows a first charge-discharge curve at 55 ° C. of an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 according to Example 1.

【図14】 実施例1によるm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セル
の、55℃、サイクル6における充電−放電曲線を示す。
14 shows a charge-discharge curve of an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 according to Example 1 at 55 ° C. in cycle 6. FIG.

【図15】 実施例1によるm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セル
の、55℃、サイクル17における充電−放電曲線を示す。
FIG. 15 shows a charge-discharge curve at 55 ° C., cycle 17, of an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 according to Example 1.

【図16】 実施例1によるm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セル
の、55℃、サイクル34における充電−放電曲線を示す。
FIG. 16 shows a charge-discharge curve of an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 according to Example 1 at 55 ° C., cycle 34.

【図17】 実施例1に従って55℃においてサイクリングされた、m−LiAl0.25Mn 0.752とm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セルの比容量
対サイクル数を示す。
FIG. 17: m-LiAl cycled at 55 ° C. according to Example 1.0.25Mn 0.75 OTwoAnd m-LiAl0.05Mn0.95OTwoCapacity of electrochemical test cell containing
Indicates the number of cycles.

【図18】 実施例2に従って900℃及びPO2=10-6atmにおいて2時間焼成され
た組成物m−LiAl0.05Mn0.952の粉末X線回折パターンを示す。
FIG. 18 shows a powder X-ray diffraction pattern of the composition m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 calcined at 900 ° C. and PO 2 = 10 −6 atm for 2 hours according to Example 2.

【図19】 実施例2に従って900℃及びPO2=10-10atmにおいて2時間焼成され
た組成物m−LiAl0.05Mn0.952の粉末X線回折パターンを示す。
FIG. 19 shows a powder X-ray diffraction pattern of a composition m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 calcined at 900 ° C. and PO 2 = 10 −10 atm for 2 hours according to Example 2.

【図20】 実施例2に従って55℃においてサイクリングされた、m−LiAl0.05Mn 0.952を含有する電気化学的試験セルの比容量対サイクル数を示す。FIG. 20: m-LiAl cycled at 55 ° C. according to Example 2.0.05Mn 0.95 OTwo5 shows the specific capacity versus number of cycles for an electrochemical test cell containing.

【図21】 実施例2によるm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セル
の55℃における第1充電−放電曲線を示す。
FIG. 21 shows a first charge-discharge curve at 55 ° C. of an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 according to Example 2.

【図22】 実施例2によるm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セル
の55℃、サイクル6における充電−放電曲線を示す。
FIG. 22 shows a charge-discharge curve at 55 ° C., cycle 6 of an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 according to Example 2.

【図23】 実施例2によるm−LiAl0.05Mn0.952を含有する電気化学的試験セル
の55℃、サイクル8における充電−放電曲線を示す。
FIG. 23 shows a charge-discharge curve at 55 ° C., cycle 8 of an electrochemical test cell containing m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 according to Example 2.

【図24】 実施例1に従って製造されたm−LiAl0.05Mn0.952の粉末X線回折パ
ターンを示す。
FIG. 24 shows a powder X-ray diffraction pattern of m-LiAl 0.05 Mn 0.95 O 2 produced according to Example 1.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成11年11月22日(1999.11.22)[Submission date] November 22, 1999 (1999.11.22)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図4[Correction target item name] Fig. 4

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図4】 FIG. 4

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図5[Correction target item name] Fig. 5

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図5】 FIG. 5

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図6[Correction target item name] Fig. 6

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図6】 FIG. 6

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,G E,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,Z A,ZW (72)発明者 サドウェイ,ドナルド・アール アメリカ合衆国マサチューセッツ州02154, ウォルサム,トラペロ・ロード 75 (72)発明者 ジャン,ヤン−イル アメリカ合衆国マサチューセッツ州02171, ノース・クインシー,マリーナ・ドライブ 100,アパートメント 406 (72)発明者 フワン,ビイン アメリカ合衆国マサチューセッツ州02140, ケンブリッジ,アルバータ・テラス 6, アパートメント 3 Fターム(参考) 4G048 AA04 AB01 AC06 AD03 AD06 AE05 AE07 5H029 AJ03 AJ05 AK03 AL03 AM03 AM05 AM07 HJ04 HJ05 HJ19 5H050 AA07 AA08 BA06 BA17 CA08 CA09 CB03 FA18 HA02 HA04 HA05 HA19 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR , BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS , JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Sadway, Donald Earl Massachusetts, United States of America State 02154, Waltham, Trapero Road 75 (72) Inventor Jean, Jan-Ill Massachusetts, United States 02171, North Quincy, Marina Drive 100, Apartment 406 (72) Inventor Hwan, Byne, United States 02140, Massachusetts, Cambridge, Alberta Terrace 6, Apartment 3F Term (Reference) 4G048 AA04 AB01 AC06 AD03 AD06 AE05 AE07 5H029 AJ03 AJ05 AK 03 AL03 AM03 AM05 AM07 HJ04 HJ05 HJ19 5H050 AA07 AA08 BA06 BA17 CA08 CA09 CB03 FA18 HA02 HA04 HA05 HA19

Claims (39)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 各々が第1比率での少なくとも第1金属と第2金属との酸化
物コアを包含し、各々がコアからの第1金属と第2金属の少なくとも一方の偏析
によって形成された、第1金属と第2金属とを第1比率では包含しない、金属酸
化物又は水酸化物の表面被膜を包含する、複数個の多成分金属酸化物粒子を包含
する粒状金属酸化物材料を包含する組成物。
2. The method of claim 1, wherein each of the first and second metal oxide cores comprises a first ratio of at least a first metal and a second metal oxide core, each formed by segregation of at least one of the first metal and the second metal from the core. A particulate metal oxide material including a plurality of multi-component metal oxide particles, including a surface coating of a metal oxide or hydroxide, not including a first metal and a second metal in a first ratio. Composition.
【請求項2】 粒子が、少なくとも一部が導電性材料と接触し、イオン伝導
性材料上に存在するイオン挿入粒子である、請求項1記載の複数個の粒子を包含
する物品。
2. An article comprising a plurality of particles according to claim 1, wherein the particles are ion insertion particles that are at least partially in contact with the conductive material and are present on the ion conductive material.
【請求項3】 イオン伝導性電池に使用可能な電極として構成され、配置さ
れる、請求項2記載の物品。
3. The article of claim 2, wherein the article is configured and arranged as an electrode usable in an ion-conducting battery.
【請求項4】 各粒子が該粒子の直径の少なくとも約2%の厚さの表面層を
包含する、請求項1記載の組成物。
4. The composition of claim 1, wherein each particle comprises a surface layer having a thickness of at least about 2% of the diameter of the particle.
【請求項5】 各粒子が該粒子の直径の少なくとも約5%の厚さの表面層を
包含する、請求項1記載の組成物。
5. The composition of claim 1, wherein each particle comprises a surface layer having a thickness of at least about 5% of the diameter of the particle.
【請求項6】 各粒子が少なくとも5nmの厚さの表面層を包含する、請求
項1記載の組成物。
6. The composition of claim 1, wherein each particle comprises a surface layer at least 5 nm thick.
【請求項7】 表面被膜が非晶質又はガラス質である、請求項1記載の組成
物。
7. The composition according to claim 1, wherein the surface coating is amorphous or vitreous.
【請求項8】 複数個の粒子の表面被膜と各粒子とが同じ結晶構造を有する
、請求項1記載の組成物。
8. The composition according to claim 1, wherein the surface coating of the plurality of particles and each particle have the same crystal structure.
【請求項9】 表面被膜が複数個の粒子の各粒子の結晶格子を伸長するエピ
タキシー結晶層である、請求項1記載の組成物。
9. The composition of claim 1, wherein the surface coating is an epitaxy crystal layer that extends the crystal lattice of each of the plurality of particles.
【請求項10】 各々が第1比率での少なくとも第1金属と第2金属との酸
化物コアを包含し、各々が粒子への補助的な金属酸化物又は水酸化物の塗布によ
って形成された、第1金属と第2金属とを第1比率では包含しない、金属酸化物
又は水酸化物の表面被膜を包含し、該コアがLixyz2[式中、Mは金属原
子又は主族元素であり、Nは金属原子又は主族元素であり、xは約0から約1ま
での数であり、yは約0から約1までの数であり、zは約0から約1までの数で
あり、yとzとが、該化合物のMyz部分に関する形式電荷が(4−x)になる
ような数である]を含む、複数個の多成分金属酸化物粒子を包含し、少なくとも
約2.5Vの充電電圧を有する粒状金属酸化物材料を包含する組成物。
10. Each comprising an oxide core of at least a first metal and a second metal in a first ratio, each formed by application of an auxiliary metal oxide or hydroxide to the particles. does not include a first metal and a second metal first rate, include surface coating of a metal oxide or hydroxide, wherein the core is Li x M y N z O 2 [ wherein, M is a metal atom Or a main group element, N is a metal atom or main group element, x is a number from about 0 to about 1, y is a number from about 0 to about 1, and z is about 0 to about 1 a number in the range 1, and the y and z, formal charge relates M y N z portion of the compound containing a number such that (4-x)], a plurality of multi-component metal oxide particles And a particulate metal oxide material having a charging voltage of at least about 2.5V.
【請求項11】 多成分酸化物に基づく挿入化合物の第1成分を複数個の化
合物粒子から該複数個の化合物粒子の表面に不均衡に偏析させて、該粒子上に第
1成分の保護層を形成する工程と;該複数個の粒子を化学的分解条件に暴露させ
る工程と;該保護層に該粒子を化学的分解条件から遮蔽させて、該粒子が保護層
のない同じ粒子よりも大きな丈夫さを該条件下で示すようにする工程とを含む方
法。
11. A protective layer of the first component, wherein the first component of the intercalation compound based on the multicomponent oxide is disproportionately segregated from the plurality of compound particles to the surface of the plurality of compound particles. Exposing the plurality of particles to chemical decomposition conditions; and shielding the particles from the chemical decomposition conditions so that the particles are larger than the same particles without the protective layer. Making robust under the conditions.
【請求項12】 多成分酸化物に基づく挿入化合物がLixyz2[式中
、Mは金属原子又は主族元素であり、Nは金属原子又は主族元素であり、xは約
0から約1までの数であり、yは約0から約1までの数であり、zは約0から約
1までの数であり、yとzとが、該化合物のMyz部分に関する形式電荷が(4
−x)になるような数である]を含み、少なくとも約2.5Vの充電電圧を有す
る、請求項11記載の方法。
During 12. multicomponent oxide insertion compound based on compound is Li x M y N z O 2 [ wherein, M is a metal atom or a main group element, N is a metal atom or a main group element, x is is a number from about 0 to about 1, y is a number from about 0 to about 1, z is a number from about 0 to about 1, and the y and z, of the compound M y N z The formal charge on the part is (4
-X), and having a charging voltage of at least about 2.5V.
【請求項13】 多相酸化物微細構造コアと、下にある挿入物質を化学的溶
解又は反応から保護する、該多相酸化物微細構造コアの1成分である1種類の物
質の表面層とを含む、リチウム挿入物質として有用な多成分酸化物微細構造。
13. A multiphase oxide microstructure core and a surface layer of one material that is a component of the multiphase oxide microstructure core that protects the underlying intercalation material from chemical dissolution or reaction. A multi-component oxide microstructure useful as a lithium insertion material, comprising:
【請求項14】 リチウムが可逆的に挿入されることができ、多成分酸化物
のうちの1構成成分の一部又は全てが自然に表面層を形成し、この表面層が下に
ある挿入化合物を化学的溶解又は反応から保護する多成分酸化物。
14. The intercalating compound in which lithium can be reversibly inserted and some or all of one component of the multicomponent oxide forms a surface layer spontaneously, with this surface layer underlying Multi-component oxide that protects against chemical dissolution or reaction.
【請求項15】 酸化物がアルミニウム含有挿入酸化物であり、自然形成ア
ルミニウム表面保護層を有する、請求項13記載の多成分酸化物。
15. The multicomponent oxide according to claim 13, wherein the oxide is an aluminum-containing insertion oxide and has a naturally formed aluminum surface protective layer.
【請求項16】 酸化物が酸化マンガン・リチウム−酸化アルミニウム混合
物であり、自然形成アルミニウム富化酸化物表面保護層を有する、請求項13記
載の多成分酸化物。
16. The multi-component oxide according to claim 13, wherein the oxide is a manganese oxide-lithium-aluminum oxide mixture and has a naturally formed aluminum-enriched oxide surface protective layer.
【請求項17】 酸化物がLixAlyMn1-y2及びLixAlyMn2-y4 から成る群から選択された組成物を有し、各組成物が自然形成アルミニウム富化
酸化物表面保護層を有する、請求項13記載の多成分酸化物。
17. The composition of claim 17, wherein the oxide has a composition selected from the group consisting of Li x Al y Mn 1-y O 2 and Li x Al y Mn 2-y O 4 , wherein each composition is a naturally formed aluminum rich material. The multi-component oxide according to claim 13, which has a functionalized oxide surface protective layer.
【請求項18】 酸化物がLixAlyMn1-y2及びLixAlyMn2-y4 から成る群から選択された組成物を有し、各組成物が最初に単相結晶性固溶体を
有するが、時間が経つにつれて、自然形成アルミニウム富化表面保護層を有する
、請求項13記載の多成分酸化物。
18. The composition of claim 1, wherein the oxide has a composition selected from the group consisting of Li x Al y Mn 1-y O 2 and Li x Al y Mn 2-y O 4 , wherein each composition is initially a single phase 14. The multi-component oxide of claim 13, having a crystalline solid solution, but having a naturally formed aluminum-enriched surface protective layer over time.
【請求項19】 酸化物がLixAlyMn1-y2及びLixAlyMn2-y4 から成る群から選択された組成物を有し、各組成物が最初に単相結晶性固溶体を
有するが、リチウムの電気化学的挿入及び脱挿入時に、自然形成アルミニウム富
化表面保護層を有する、請求項13記載の多成分酸化物。
19. The composition according to claim 19, wherein the oxide comprises a composition selected from the group consisting of Li x Al y Mn 1-y O 2 and Li x Al y Mn 2-y O 4 , wherein each composition is initially a single phase 14. The multicomponent oxide of claim 13, having a crystalline solid solution, but having a naturally formed aluminum-enriched surface protective layer upon electrochemical insertion and removal of lithium.
【請求項20】 yが0ではないLixAlyMn1-y2斜方晶系構造。20. A Li x Al y Mn 1-y O 2 orthorhombic structure in which y is not 0. 【請求項21】 xが約1であり、yが約0.25未満である、請求項20
記載の構造。
21. The method of claim 20, wherein x is about 1 and y is less than about 0.25.
The described structure.
【請求項22】 xが約1であり、yが約0.10未満である、請求項20
記載の構造。
22. The method of claim 20, wherein x is about 1 and y is less than about 0.10.
The described structure.
【請求項23】 yが約0.05未満である、請求項21記載の構造。23. The structure of claim 21, wherein y is less than about 0.05. 【請求項24】 少なくとも1種類の成分を有し、該少なくとも1種類の成
分が、yが0ではないLixAlyMn1-y2斜方晶系構造を有する、一次リチウ
ム電池用の電極。
24. For a primary lithium battery having at least one component, wherein the at least one component has a Li x Al y Mn 1-y O 2 orthorhombic structure in which y is not 0. electrode.
【請求項25】 電池が再充電可能なリチウム電池である、請求項24記載
の電極。
25. The electrode according to claim 24, wherein the battery is a rechargeable lithium battery.
【請求項26】 実質的に本明細書において添付実施例に関連して述べた通
りの組成物。
26. A composition substantially as described herein in connection with the accompanying examples.
【請求項27】 実質的に本明細書において添付実施例に関連して述べた通
りの、挿入組成物の製造方法。
27. A method of making an insertion composition substantially as described herein in connection with the accompanying examples.
【請求項28】 実質的に本明細書において添付実施例に関連して述べた通
りの多成分酸化物。
28. A multi-component oxide substantially as described herein in connection with the accompanying examples.
【請求項29】 陽極と、可逆的形式でリチウムを吸着及び脱着することが
できる陰極と、リチウムイオン伝導性非水性電解質とを包含し、該陽極が請求項
1記載の組成物を包含する非水性電解質リチウム二次電池。
29. A non-aqueous electrolyte comprising a lithium ion conductive non-aqueous electrolyte comprising an anode, a cathode capable of adsorbing and desorbing lithium in a reversible manner, wherein the anode comprises the composition of claim 1. Aqueous electrolyte lithium secondary battery.
【請求項30】 陽極と、可逆的形式でリチウムを吸着及び脱着することが
できる陰極と、リチウムイオン伝導性非水性電解質とを包含し、該陽極が請求項
13又は請求項14記載の多成分酸化物微細構造を包含する非水性電解質リチウ
ム二次電池。
30. A multi-component as claimed in claim 13 or claim 14, comprising an anode, a cathode capable of adsorbing and desorbing lithium in a reversible manner, and a lithium ion conductive non-aqueous electrolyte. A non-aqueous electrolyte lithium secondary battery including an oxide microstructure.
【請求項31】 非水性電解質リチウム二次電池の製造への請求項1記載の
組成物又は請求項13若しくは請求項14記載の多成分酸化物微細構造の使用。
31. Use of the composition according to claim 1 or the multicomponent oxide microstructure according to claim 13 or 14 for the manufacture of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery.
【請求項32】 少なくとも2種類の個別の挿入化合物を含有し、各化合物
が異なるリチウム化学拡散速度を有し、任意の非複合挿入化合物の電圧対容量プ
ロフィルよりも連続的に変化する電圧対容量プロフィルを有する複合挿入化合物
32. A voltage-to-capacity containing at least two individual insertion compounds, each compound having a different lithium chemical diffusion rate, and varying more continuously than the voltage-to-capacity profile of any non-composite insertion compound. Compound insertion compound with profile.
【請求項33】 少なくとも2種類の個別の挿入化合物を含有し、各化合物
が異なる粒度を有し、任意の非複合挿入化合物の電圧対容量プロフィルよりも連
続的に変化する電圧対容量プロフィルを有する複合挿入化合物。
33. A composition comprising at least two individual insertion compounds, each compound having a different particle size and having a voltage-capacity profile that varies more continuously than the voltage-capacity profile of any non-composite insertion compound. Complex insertion compound.
【請求項34】 請求項33記載の化合物を含有するリチウム電池用電極で
あって、該化合物が、電極中の最も緩慢なリチウム輸送段階が化合物中のリチウ
ムの拡散であるようにするために充分な粒度を有する前記電極。
34. An electrode for a lithium battery containing the compound of claim 33, wherein the compound is sufficient to cause the slowest lithium transport step in the electrode to be diffusion of lithium in the compound. The electrode having a suitable particle size.
【請求項35】 少なくとも2種類の化合物を有し、少なくとも1種類の化
合物が斜方晶系構造LixAlyMn1-y2(式中、yは0ではない)を有する複
合挿入物質。
35. A composite intercalating material having at least two compounds, wherein at least one compound has an orthorhombic structure Li x Al y Mn 1-y O 2 , wherein y is not zero. .
【請求項36】 単斜晶系LixAlyMn1-y2をさらに含む、請求項35
記載の複合挿入物質。
36. The method of claim 35, further comprising monoclinic Li x Al y Mn 1-y O 2.
The composite insert as described.
【請求項37】 少なくとも2種類の化合物を含み、少なくとも1種類の化
合物が、電気化学的サイクリング時に、約4Vにおける単一プラトーからそれぞ
れ約4V及び3Vにおける2つのプラトーまでの電圧対容量曲線の変化を有する
複合挿入物質。
37. A method comprising: at least one compound, wherein at least one compound undergoes a change in voltage versus capacity curve upon electrochemical cycling from a single plateau at about 4V to two plateaus at about 4V and 3V, respectively. A composite insert having the formula:
【請求項38】 少なくとも2種類の化合物を含み、少なくとも1種類の化
合物が2.0〜4.4Vの電圧範囲にわたって少なくとも約100mAh/gの
放電容量と、50サイクル後に少なくとも約400Wh/kgのエネルギー密度
とを有する複合挿入物質。
38. At least two compounds, wherein at least one compound has a discharge capacity of at least about 100 mAh / g over a voltage range of 2.0 to 4.4 V and an energy of at least about 400 Wh / kg after 50 cycles. A composite insert having a density.
【請求項39】 少なくとも2種類の化合物を含み、少なくとも1種類の化
合物が単斜晶系LixAlyMn1-y2であり、第2化合物が斜方晶系LixMn
2又はLixAlyMn1-y2[式中、yは0ではない]である複合挿入物質。
39. A composition comprising at least two compounds, wherein at least one compound is monoclinic Li x Al y Mn 1-y O 2 and the second compound is orthorhombic Li x Mn
O 2 or wherein, y is not 0] Li x Al y Mn 1 -y O 2 composite insert material is.
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