JP2003081638A - 二次電池用リチウムマンガン複合酸化物およびその製造方法、ならびに非水電解液二次電池 - Google Patents
二次電池用リチウムマンガン複合酸化物およびその製造方法、ならびに非水電解液二次電池Info
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Abstract
により、サイクル特性および電池特性がともに優れ、か
つ廉価なリチウムマンガン複合酸化物およびその製造方
法、ならびに非水電解液二次電池を提供すること。 【解決手段】 一般式がLi1+xMn2O4+δ(0<x<0.20、0<
δ<0.3)で表わされ、X線回折における(311)面の半価幅
が0.15°以下、(400)面の半価幅が0.15°以下であっ
て、空間群Fd3mのスピネル型構造を有することを特徴と
する二次電池用リチウムマンガン複合酸化物。
Description
ンガン複合酸化物およびその製造方法と、非水電解液二
次電池に関し、とくに二次電池の正極として好適な高密
度スピネル型リチウムマンガン複合酸化物に関連する技
術についての提案である。
チウム二次電池用正極材としてLiCoO2が広く利用されて
いる。しかしながら、近年、電気自動車や携帯電話、パ
ソコン等の開発・普及に伴い、それらの動力源として
は、より小型で高密度、高エネルギー密度を有する二次
電池が求められるようになってきた。これらの要求に対
し、資源量が豊富で、価格面からも有利なマンガン化合
物を原料として合成したリチウムマンガン複合酸化物Li
Mn2O4が、LiCoO2の代替材料として注目を集めている。
浴びている。これは、この型の電池が、水の分解電圧を
考慮して設計する必要がなく、その上、正極活物質を適
宜に選定できることから、高電圧化を容易に達成できる
ためである。
Mn2O4の合成については、これまでにも種々の方法が提
案されているが、出発原料としては、コストおよび充填
性を考慮した場合、廉価で緻密な二次粒子を有する電解
二酸化マンガン(γ-MnO2)を用いることが好適である
と考えられている。
O2を原料とし、化学量論組成付近でLiMn2O4を合成した
場合、初期容量が理論容量(148mAh/g)と比較して極端
に小さく、またサイクル特性も悪いものしか得られない
という問題点があった。
性を改善する技術については、化学量論組成よりもLiを
過剰に添加すること(特開平2-270268号公報)や、Mnを
他の金属元素で置換すること(特開平2-278661号公報、
特開平4-14195号公報、特開平4-160758号公報)などの
従来技術が知られている。しかし、これらの技術は、た
しかにサイクル特性を改善することには成功したが、そ
の反面で却って電池容量の低下を招くという問題を残し
た。従って、これまではサイクル特性と電池容量の両方
の特性がともに優れ、さらにはコストの面でも好ましい
スピネル型LiMn 2O4は得られていないのが現状である。
従来のリチウムマンガン複合酸化物LiMn2O4は、リチウ
ム二次電池用正極材であるLiCoO2の代替材料として期待
されてはいるものの、サイクル特性が悪く、電池容量不
足になるという問題点から、未だ一部の実用に留まって
いる。そのLiMn2O4の電池容量が低くなる原因として
は、原料である電解二酸化マンガン粒子自体の結晶性が
悪く反応性が乏しいため、合成されたLiMn2O 4の結晶構
造中に欠陥が生じ、そのために、充分な放電容量が得ら
れなくなるためと考えられる。
よび電池特性がともに優れ、かつ廉価なリチウムマンガ
ン複合酸化物およびその製造方法を提案すること、なら
びに非水電解液二次電池を提供することにある。
述した問題について鋭意検討し、どのような手段が有効
かについて研究した結果、発明者らは、Mn原料粒子の結
晶性(反応性)を高めることができれば、LiMn2O4粒子
中の結晶欠陥を低減できるものと考えた。そして、前記
Mn原料粒子である電解二酸化マンガン粉末(γ-MnO2)
を、あらかじめ焼成すると反応性に富む(結晶性の高
い)スピネル型マンガン複合酸化物が得られることを知
見し、本発明に想到した。
(0<x<0.20、0<δ<0.3)で表わされ、X線回折における
(311)面の半価幅が0.15°以下、(400)面の半価幅が0.15
°以下であって、空間群Fd3mのスピネル型構造を有する
ことを特徴とする二次電池用リチウムマンガン複合酸化
物である。
ムマンガン複合酸化物は、上記電解二酸化マンガン(γ
-MnO2)粉末を600〜800℃で焼成して、焼成マンガン酸
化物(α-Mn2O3)に転化させ、この焼成マンガン酸化物
をリチウム化合物と混合し、その後、その混合粉末を70
0〜900℃で焼成することにより、製造することができ
る。
は、前記リチウムマンガン複合酸化物の合成において、
電解二酸化マンガン粉末(γ- MnO2)を600〜800℃の温
度で焼成することにより合成した焼成マンガン酸化物α
-Mn2O3は、その粒子中心部の硫黄濃度を、表面部よりも
低くすること、一次粒子径が0.3μm以下であること、タ
ップ密度が2.0g/cm3以上であること、そして比表面積BE
T値が5.0m2/g以下であるものを用いること、が好まし
い。
ムマンガン複合酸化物を活物質とする正極と、炭素質材
料またはリチウム吸蔵物質を活物質とする負極と、非水
電解液とで構成されることを特徴とする非水電解液二次
電池を提案する。
法により製造されたリチウムマンガン複合酸化物を活物
質とする正極と、炭素質材料またはリチウム吸蔵物質を
活物質とする負極と、非水電解液とで構成されることを
特徴とする非水電解液二次電池を提案する。
ンガン複合酸化物の製造方法について説明する。出発原
料としては、硫酸マンガン水溶液を硫酸酸性下において
電気分解した際、陽極(チタン)に析出する電解二酸化
マンガン粉末(γ- MnO2)を用いる。次に、この電解二
酸化マンガン粉末を大気中において600〜800℃で予備焼
成する。この予備焼成は、前記電解二酸化マンガン粉末
の結晶形態を、γ- MnO2から反応性の高い焼成マンガン
酸化物(α- Mn2O3)に転化させるために行なう処理で
ある。
γ-MnO2と言われているが、その結晶構造は、基本的に
はラムスデライト型構造と考えられている。これは、六
方最密充填した酸素イオンの隙間(六配位)の半分にMn
イオンが規則的に2個ずつ互い違いに入ったものであ
り、その構造中に1×2の1次元チャネルを有する。この
γ- MnO2のリチウムイオンとの反応性は、上述したとお
りγ- MnO2が広い1次元チャネルを有するため、他のマ
ンガン酸化物(β- MnO2、ε- MnO2、Mn3O4等)と比較
して高いが、最密に充填された酸素イオンにより、リチ
ウムイオンの拡散(リチウムイオンの二酸化マンガン結
晶相への出入り)が阻害されるため、期待する電池性能
は得られないという傾向がある。
ンガン(γ-MnO2)を予備焼成して得られる焼成マンガ
ン酸化物(α-Mn2O3)については、その結晶構造が、C-
希土類構造を有する。この構造は、蛍石型構造中の陰イ
オン8個のうち、対角線上の2個が欠損した構造(オクタ
ント)であり、これが規則的に3種類配列している。つ
まり、α- Mn2O3では、酸素イオンが最密充填ではな
く、1/4が欠損した構造となっている。従って、この
ような酸素欠損構造を有する結晶構造のものでは、リチ
ウムイオンの拡散が阻害されるようなことがないため、
リチウムイオンとの反応性を著しく向上させることがで
きる。本発明は、焼成マンガン酸化物のもつ、このよう
な性質を制御するものである。
O2)の粒子中には、電解液から混入する硫酸イオンが不
純物として1%程度含まれている。この硫酸イオンは、焼
成過程ではリチウムと容易に反応してLi2SO4を形成す
る。この反応は、リチウムとマンガンの反応に優先して
進むため、リチウムマンガン複合酸化物の合成反応を阻
害する要因となる。
電解二酸化マンガンをもし、600〜800℃の温度で予備焼
成し、焼成マンガン酸化物としたものについては、その
内部のEPMA線分析結果(図2)から明らかなように、前
記予備焼成によって、600℃以上の温度に加熱されるこ
とにより、上述した残留硫酸イオンが、粒子内部から粒
子表面に移動し、粒子内部での硫酸イオン濃度が著しく
低くなる。つまり、電解二酸化マンガン粒子(γ-Mn
O2)を熱処理することにより得た焼成マンガン酸化物
(α- Mn2O3)粒子を出発原料としてリチウムマンガン
複合酸化物を合成した場合、粒子表面では、硫酸イオン
の作用により高結晶化が阻害されるものの、粒子内部で
はリチウムの拡散がスムーズに進行し、高結晶化が実現
できるのである。
る焼成マンガン酸化物(α- Mn2O3)は、一次粒子の粒
径が0.3μm以下と小さいことも反応性が高い要因と思わ
れる。
のタップ密度は、2.0g/cm3以上のものを用いることが好
ましい。これは、タップ密度が2.0g/cm3以下の場合、リ
チウム化合物との混合により得られるリチウムマンガン
複合酸化物のタップ密度も同様に2.0g/cm3以下となり、
これを正極活物質として使用した場合、電池容量が低下
し、充分な放電容量が得られないためである。
2O3)と混合するリチウム化合物としては、炭酸リチウ
ム、水酸化リチウム、硝酸リチウム等を使用することが
できるが、コスト面からは炭酸リチウムを用いることが
好ましい。炭酸リチウムの粒径は、上記焼成マンガン酸
化物(α- Mn2O3)よりも細かい方が好ましい。
(α-Mn2O3)との混合比率は、Li1+ xMn2O4+δで表わさ
れる化学式中のxおよびδが0<x<0.20、0<δ<0.3の範囲
になるように混合する。即ち、Li:Mn:Oにて1.0〜1.
2:2:4.0〜4.3の割合とする。このような混合比率に限
定する理由は、1+x<1.0では、Mn2O3の異相が生成しや
すく、また、1+x>1.2では、容量の低下が大きくなるた
めである。
(本焼成)が施される。この時の加熱処理温度は、700
〜900℃の範囲とし、焼成時間は焼成温度などにより必
ずしも同一ではないが、5〜24時間程度とする。これら
の加熱時間や焼成時間を制御する理由は、焼成温度が低
いとスピネル型の結晶構造とならないか、異相が混じり
やすく、焼成温度が高すぎると酸素欠損が生じ、サイク
ル特性が大幅に低下する問題があるからである。
1)面の半価幅が0.15°以下、(400)面の半価幅が0.15°
以下のものに限定するが、この理由は、0.15°以上で
は、結晶性が低いため、反応性に乏しく、充分な放電容
量が得られないためである。
化物を正極活物質として使用することにより、高密度、
高エネルギー密度を有する二次電池を提供することがで
きる。その際、負極活物質には、炭素質材料、導電性ポ
リマーまたはリチウム吸蔵物質等を用い、電解液として
は非水電解液を用いる。非水電解液は、一般的にリチウ
ム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解して調整され
る。本発明では、電解質として6フッ化リン酸リチウム
(LiPF6)を用い、有機溶媒としてエチレンカーボネー
トとジメチルカーボネートの混合溶液を用いた。この他
にも、電解質としては、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiSO3
CF3、LiN(SO2CF3)2等やこれらの混合物が用いられる。
また、有機溶媒としては、ジエチルカーボネート、プロ
ピレンカーボネートやその混合物等を用いることができ
る。
説明する。 (実施例1)平均粒径20μmの電解二酸化マンガン(γ-
MnO2)粉末を大気中で600℃で5時間の予備焼成を行い、
焼成マンガン酸化物(α- Mn2O3)からなる原料粉末を
得た。この粉末と炭酸リチウムをモル比でLi:Mn=1.1
0:2.00となるように秤量し、充分に混合した。その
後、大気中にて750℃で20時間の本焼成を行い、Li1.1Mn
2O 4+δからなるリチウムマンガン複合酸化物を得た。合
成した粉末は、X線回折測定によりスピネル型単一相で
あることが確認された。(311)面の半価幅は、0.14°で
(400)面の半価幅は、0.13°であった。
ンガン(γ-MnO2)粉末を大気中で700℃で5時間の予備
焼成を行い、焼成マンガン酸化物(α- Mn2O3)からな
る原料粉末を得た。この粉末と炭酸リチウムをモル比で
Li:Mn=1.10:2.00となるように秤量し、充分に混合し
た。その後、大気中にて750℃で20時間の本焼成を行
い、Li1.1Mn2O 4+δからなるリチウムマンガン複合酸化
物を得た。合成した粉末は、X線回折測定によりスピネ
ル型単一相であることが確認された。(311)面の半価幅
は、0.13°で(400)面の半価幅は、0.12°であった。
マンガン(γ-MnO2)粉末を大気中で800℃で5時間の予
備焼成を行い、焼成マンガン酸化物(α- Mn2O3)から
なる原料粉末を得た。この粉末と炭酸リチウムをモル比
でLi:Mn=1.10:2.00となるように秤量し、充分に混合
した。その後、大気中にて750℃で20時間の本焼成を行
い、Li1.1Mn2O 4+δからなるリチウムマンガン複合酸化
物を得た。合成した粉末は、X線回折測定によりスピネ
ル型単一相であることが確認された。(311)面の半価幅
は、0.13°で(400)面の半価幅は、0.12°であった。
マンガン(γ-MnO2)粉末と炭酸リチウムをモル比でL
i:Mn=1.10:2.00となるように秤量し、充分に混合し
た。その後、大気中にて750℃で20時間の焼成を行い、L
i1.1Mn2O4+δからなるリチウムマンガン複合酸化物を得
た。合成した粉末は、X線回折測定によりスピネル型単
一相であることが確認された。(311)面の半価幅は、0.1
7°で(400)面の半価幅は、0.15°であった。
マンガン(γ-MnO2)粉末を大気中で400℃で5時間の予
備焼成を行い、α- Mn2O3からなる原料粉末を得た。こ
の粉末と炭酸リチウムをモル比でLi:Mn=1.10:2.00と
なるように秤量し、充分に混合した。その後、大気中に
て750℃で20時間の本焼成を行い、Li1.1Mn2O4+δからな
るリチウムマンガン複合酸化物を得た。合成した粉末
は、X線回折測定によりスピネル型単一相であることが
確認された。(311)面の半価幅は、0.16°で(400)面の半
価幅は、0.14°であった。
マンガン(γ-MnO2)粉末を大気中で900℃で5時間の予
備焼成を行い、α- Mn2O3からなる原料粉末を得た。こ
の粉末と炭酸リチウムをモル比でLi:Mn=1.10:2.00と
なるように秤量し、充分に混合した。その後、大気中に
て750℃で20時間の本焼成を行い、Li1.1Mn2O4+δからな
るリチウムマンガン複合酸化物を得た。合成した粉末
は、X線回折測定によりスピネル型単一相であることが
確認された。(311)面の半価幅は、0.13°で(400)面の半
価幅は、0.12°であった。
リチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として、コイ
ン型試験セルを組み、初期放電容量および30サイクル後
の放電容量を測定した。なお、測定温度は室温と60℃の
2通りについて行なった。測定結果を表1に示す。さら
に、図1に実施例1および比較例1のX線回折図を示
す。実施例1および比較例1は、ともにスピネル型単一
相であるが、実施例1の方がピークがシャープであり、
結晶性に優れていることがわかる。
プルは、初期放電容量が高く、さらに容量維持率とくに
60℃高温での容量維持率が大きいことが分かる。一方、
比較例1〜3は、初期放電容量および容量維持率ともに
低くなっている。つまり、予備焼成温度は600〜800℃が
好ましいことがわかる。また、実施例1〜3のX線回折に
おけるリチウムマンガン複合酸化物の特徴的なピーク(3
11)面および(400)面の半価幅は、いずれも0.15°以下で
あり結晶性に優れていることがわかる。
期放電容量が高くかつサイクル特性等の電池特性に優
れ、かつ廉価なスピネル型リチウムマンガン複合酸化物
を製造することができる。このため、該リチウムマンガ
ン複合酸化物は、電池特性に優れた非水電解液二次電池
用正極材として有用である。
たリチウムマンガン複合酸化物のX線回折図である。
化物(α-Mn2O3)の粒子内部の硫黄のEPMA線分析結果で
ある。
1)
Claims (8)
- 【請求項1】 一般式がLi1+xMn2O4+δ(0<x<0.20、0<
δ<0.3)で表わされ、X線回折における(311)面の半価幅
が0.15°以下、(400)面の半価幅が0.15°以下であっ
て、空間群Fd3mのスピネル型構造を有することを特徴と
する二次電池用リチウムマンガン複合酸化物。 - 【請求項2】 電解二酸化マンガン(γ-MnO2)粉末を6
00〜800℃で焼成して、焼成マンガン酸化物(α-Mn
2O3)に転化させ、この焼成マンガン酸化物をリチウム
化合物と混合し、その後、その混合粉末を700〜900℃で
焼成することを特徴とする二次電池用リチウムマンガン
複合酸化物の製造方法。 - 【請求項3】 前記焼成マンガン酸化物(α-Mn2O3)粉
末は、その粒子中心部の硫黄濃度が、表面部よりも低い
ことを特徴とする請求項2に記載の二次電池用リチウム
マンガン複合酸化物の製造方法。 - 【請求項4】 前記焼成マンガン酸化物(α-Mn2O3)粉
末は、一次粒子径が0.3μm以下であることを特徴とする
請求項2または3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5】 前記焼成マンガン酸化物(α-Mn2O3)粉
末は、タップ密度が2.0g/cm3以上であることを特徴とす
る請求項2〜4のいずれか1項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】 前記焼成マンガン酸化物(α-Mn2O3)
は、BET比表面積が5.0m2/g以下であることを特徴とする
請求項2〜5に記載の二次電池用リチウムマンガン複合
酸化物の製造方法。 - 【請求項7】 二次電池が、請求項1記載のリチウムマ
ンガン複合酸化物を活物質とする正極と、炭素質材料ま
たはリチウム吸蔵物質を活物質とする負極と、非水電解
液とで構成されることを特徴とする非水電解液二次電
池。 - 【請求項8】 二次電池が、請求項2〜6のいずれか1
項に記載の製造方法により製造されたリチウムマンガン
複合酸化物を活物質とする正極と、炭素質材料またはリ
チウム吸蔵物質を活物質とする負極と、非水電解液とで
構成されることを特徴とする非水電解液二次電池。
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