JP2014131947A - Manganese dioxide, method of producing the same and use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、α型の結晶相を含む二酸化マンガンに関する。さらに詳しくは、電気化学用途に用いられるα型の結晶相を含む二酸化マンガン及びその製造方法に関する。 The present invention relates to manganese dioxide containing an α-type crystal phase. More specifically, the present invention relates to manganese dioxide containing an α-type crystal phase used for electrochemical applications and a method for producing the same.
二酸化マンガンは、MnO6八面体を1つのユニットとし、これが連続的に架橋した結晶構造のマンガン酸化物である。ユニットの架橋状態により結晶構造は異なるため、二酸化マンガンは結晶構造の異なる複数の種類がある。例えば、α型の結晶相(2×2と表記されるトンネル構造)からなるα型二酸化マンガン、β型の結晶相(1×1と表記されるトンネル構造)からなるβ型二酸化マンガン、さらには、γ型の結晶相(1×1と表記されるトンネル構造と1×2と表記されるトンネル構造との2種類の混合構造)からなるγ型二酸化マンガンなどが二酸化マンガンの種類として知られている。 Manganese dioxide is a manganese oxide having a crystal structure in which MnO 6 octahedrons are formed as one unit and are continuously crosslinked. Since the crystal structure differs depending on the cross-linked state of the unit, manganese dioxide has a plurality of types having different crystal structures. For example, α-type manganese dioxide composed of α-type crystal phase (tunnel structure expressed as 2 × 2), β-type manganese dioxide composed of β-type crystal phase (tunnel structure expressed as 1 × 1), and Γ-type manganese dioxide composed of γ-type crystal phase (two types of mixed structure of 1 × 1 tunnel structure and 1 × 2 tunnel structure) is known as a kind of manganese dioxide Yes.
これら結晶構造の中でも、α型の結晶相は大きな空隙を有する結晶構造である。そのため、α型二酸化マンガンは、マグネシウムイオン電池やカルシウムイオン電池などの多価カチオン電池をはじめとする次世代型電池などの電極材料としての応用が期待されている(非特許文献1)。 Among these crystal structures, the α-type crystal phase is a crystal structure having a large void. Therefore, α-type manganese dioxide is expected to be applied as an electrode material for next-generation batteries such as multivalent cation batteries such as magnesium ion batteries and calcium ion batteries (Non-patent Document 1).
α型二酸化マンガンは、ホランダイト型二酸化マンガンとも呼ばれ、天然に産出される。これ以外にも、これまで種々の製法により得られたα型の結晶構造を有する二酸化マンガンが報告されている。例えば、特許文献1には、マンガンの無機酸塩と過マンガン酸塩を使用して化学合成した二酸化マンガン、及び、これがリチウム二次電池の正極活物質となることが報告されている。
α-type manganese dioxide is also called hollandite-type manganese dioxide and is produced naturally. In addition, manganese dioxide having an α-type crystal structure obtained by various production methods has been reported so far. For example,
特許文献2では、過マンガン酸塩の還元やマンガン塩の酸化などにより水熱化学合成されたメソ多孔性の二酸化マンガン、及び、これがスーパーキャパシタの電極材料となることが報告されている。 In Patent Document 2, it is reported that mesoporous manganese dioxide synthesized hydrothermally by reduction of permanganate, oxidation of manganese salt, or the like, and this becomes an electrode material of a supercapacitor.
特許文献3では、アンモニアを含有する硫酸マンガンおよび硫酸の溶液を電解液として得られたアンモニアを含有した二酸化マンガンが報告されている。当該二酸化マンガンは、これにリチウムを含有させ、その後焼成することで、優れたリチウム二次電池の正極活物質となることが報告されている。 Patent Document 3 reports manganese dioxide containing ammonia obtained by using manganese sulfate containing ammonia and a solution of sulfuric acid as an electrolyte. It has been reported that the manganese dioxide can be an excellent positive electrode active material for a lithium secondary battery by containing lithium and then firing it.
特許文献1及び2で開示された二酸化マンガンは、α相を多く含む二酸化マンガンであるが、いずれも充填性が低かった。そのため、リチウム二次電池やキャパシタなどの容積が限られた電気化学デバイスで使用される場合には、単位容積あたりの充放電容量が低いという問題を有していた。さらに、これらの二酸化マンガンの製造方法は高価な還元剤や酸化剤を使用する化学反応を伴う製造方法であり、工業的規模での生産へ適用しにくいという問題を有していた。
The manganese dioxide disclosed in
また、特許文献3で開示された二酸化マンガンは充填性が高い。しかしながら、当該二酸化マンガンは、その大部分がγ型二酸化マンガンであり、実質的にα型二酸化マンガンを含まない二酸化マンガンであった。当該二酸化マンガンは、リチウムよりも大きなイオンの移動を伴う電気化学反応、例えば、多価カチオン電池や多価カチオンキャパシタ等の充放電においては、イオンの移動が著しく低いと考えられる。 Further, the manganese dioxide disclosed in Patent Document 3 has a high filling property. However, most of the manganese dioxide was γ-type manganese dioxide, and was manganese dioxide substantially free of α-type manganese dioxide. Manganese dioxide is considered to have extremely low ion movement in electrochemical reactions involving movement of ions larger than that of lithium, for example, in charge / discharge of a multivalent cation battery or a multivalent cation capacitor.
本発明は、これらの課題を解決し、充填性が高く、α型の結晶相を有した二酸化マンガンを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve these problems and to provide manganese dioxide having a high filling property and having an α-type crystal phase.
α型の結晶相(以下、「α相」)を有する二酸化マンガンについて、本発明者は検討を重ねた。その結果、電気化学的活物質として高い電気化学的活性を有する可能性があり、なおかつ、高い充填性を有する二酸化マンガンを見出し、本発明に至ったものである。すなわち、本発明は、嵩密度が1.0g/cm3以上、粉末X線回折パターンにおけるα相の(110)面ピーク強度に対するγ相の(110)面ピーク強度が2.5以下であることを特徴とする二酸化マンガンである。 The present inventor has repeatedly studied manganese dioxide having an α-type crystal phase (hereinafter referred to as “α-phase”). As a result, the present inventors have found manganese dioxide that has a high electrochemical activity as an electrochemically active material and has a high filling property, and has led to the present invention. That is, in the present invention, the bulk density is 1.0 g / cm 3 or more, and the (110) plane peak intensity of the γ phase with respect to the (110) plane peak intensity of the α phase in the powder X-ray diffraction pattern is 2.5 or less. Manganese dioxide characterized by
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明の二酸化マンガンはα相を有する二酸化マンガンである。二酸化マンガンがα相を含むことで、電気化学特性が高くなりやすく、二酸化マンガン結晶構造中におけるリチウムイオン(Li+)、ナトリウム(Na+)、カリウム(K+)などのアルカリ金属イオンの移動のみならず、マグネシウムイオン(Mg2+)やカルシウムイオン(Ca2+)などの多価カチオンの移動が容易となる。 The manganese dioxide of the present invention is manganese dioxide having an α phase. Manganese dioxide contains an α phase, which tends to improve the electrochemical characteristics, and only the movement of alkali metal ions such as lithium ion (Li + ), sodium (Na + ), and potassium (K + ) in the manganese dioxide crystal structure. In addition, the migration of polyvalent cations such as magnesium ions (Mg 2+ ) and calcium ions (Ca 2+ ) is facilitated.
本発明の二酸化マンガンはα相を含む二酸化マンガンであり、α相を主結晶とする二酸化マンガンであることが好ましく、更には、実質的に、α相のみからなる二酸化マンガンであってもよい。一方、γ相はアルカリ金属イオン等の移動が容易な構造である。そのため、本発明の二酸化マンガンは、α相とγ相とを含む二酸化マンガンであってもよく、更には、実質的に、α相及びγ相の2相のみからなる二酸化マンガンであってもよい。 The manganese dioxide of the present invention is manganese dioxide containing an α phase, preferably manganese dioxide having an α phase as a main crystal, and may be manganese dioxide consisting essentially of an α phase. On the other hand, the γ phase has a structure that allows easy movement of alkali metal ions and the like. Therefore, the manganese dioxide of the present invention may be manganese dioxide containing an α phase and a γ phase, and may further be manganese dioxide substantially consisting of only two phases of an α phase and a γ phase. .
本発明の二酸化マンガンは、粉末X線回折パターンにおけるα相の(110)面ピーク強度に対するγ相の(110)面ピーク強度が2.5以下であり、2以下であることが好ましく、1以下であることがより好ましく、0.5以下であることが更に好ましい。粉末X線回折パターンにおけるα相の(110)面ピーク強度に対するγ相の(110)面ピーク強度が上記の範囲であれば、リチウムイオンや多価カチオン等の移動が主にα相のトンネル構造で生じやすくなる。これにより、本発明の二酸化マンガンはリチウムイオンや多価カチオンを使用する電気化学反応において高い電気容量を発現しやすくなる傾向にある。 In the manganese dioxide of the present invention, the (110) plane peak intensity of the γ phase relative to the (110) plane peak intensity of the α phase in the powder X-ray diffraction pattern is 2.5 or less, preferably 2 or less, and preferably 1 or less. It is more preferable that it is 0.5 or less. If the (110) plane peak intensity of the γ phase relative to the (110) plane peak intensity of the α phase in the powder X-ray diffraction pattern is in the above range, the movement of lithium ions, polyvalent cations, etc. is mainly the tunnel structure of the α phase. It tends to occur. Thereby, the manganese dioxide of the present invention tends to easily develop a high electric capacity in an electrochemical reaction using lithium ions or polyvalent cations.
ここで、粉末X線回折パターンにおけるα相の(110)面ピーク(以下、「α(110)」とする)は、CuKα線を光源とする粉末X線回折パターンにおける2θ=13±2°に相当するピークである。また、粉末X線回折パターンにおけるγ相の(110)面ピーク(以下、「γ(110)」とする)は、CuKα線を光源とする粉末X線回折パターンにおける2θ=22±2°に相当するピークである。 Here, the (110) plane peak of the α phase in the powder X-ray diffraction pattern (hereinafter referred to as “α (110)”) is 2θ = 13 ± 2 ° in the powder X-ray diffraction pattern using CuKα rays as a light source. Corresponding peak. Further, the (110) plane peak of the γ phase in the powder X-ray diffraction pattern (hereinafter referred to as “γ (110)”) corresponds to 2θ = 22 ± 2 ° in the powder X-ray diffraction pattern using CuKα rays as a light source. It is a peak.
α相が多いほど、例えばマグネシウムイオン(Mg2+)やカルシウムイオン(Ca2+)などの多価カチオンの移動がより容易になる。そのため、本発明の二酸化マンガンは、その結晶構造中に含まれるα相の割合が高いことが好ましい。 The more α phases, the easier the movement of polyvalent cations such as magnesium ions (Mg 2+ ) and calcium ions (Ca 2+ ). Therefore, the manganese dioxide of the present invention preferably has a high proportion of α phase contained in its crystal structure.
さらに、充填性や電気化学的反応に悪影響を与えない程度であれば、α相及びγ相以外の結晶構造が含まれていてもよい。しかしながら、β型の結晶相(以下、「β相」とする。)は理論密度が他の結晶相より低い。そのため、β相が多く含まれる場合、二酸化マンガンの充填性が特に低くなりやすい。したがって、本発明の二酸化マンガンは、β相が少ないこと、更には、実質的に、β相を含有しないことが好ましい。 Furthermore, a crystal structure other than the α phase and the γ phase may be included as long as the filling property and the electrochemical reaction are not adversely affected. However, the β-type crystal phase (hereinafter referred to as “β phase”) has a lower theoretical density than the other crystal phases. Therefore, when a lot of β phases are contained, the filling property of manganese dioxide tends to be particularly low. Therefore, it is preferable that the manganese dioxide of the present invention has a small β phase and further substantially does not contain a β phase.
なお、二酸化マンガンの結晶構造は、α相はJCPDS53−633、γ相はJCPDS14−644、β相はJCPDS24−735の、各粉末X線回折パターンを用いて同定することができる。 The crystal structure of manganese dioxide can be identified by using each powder X-ray diffraction pattern of JCPDS 53-633 for α phase, JCPDS 14-644 for γ phase, and JCPDS 24-735 for β phase.
本発明の二酸化マンガンは、粉末X線回折パターンにおけるα(110)の半価全幅(以下、「FWHM」とする)が1.8以下であることが好ましく、1.5°以下であることがより好ましい。一般に、FWHMが大きいと結晶性が低くなる。本発明の二酸化マンガンは、適度に低いFWHMであることで、α相の構造が安定しやすくなる。 In the manganese dioxide of the present invention, the full width at half maximum of α (110) (hereinafter referred to as “FWHM”) in the powder X-ray diffraction pattern is preferably 1.8 or less, and is preferably 1.5 ° or less. More preferred. In general, when FWHM is large, crystallinity is lowered. The manganese dioxide of the present invention has a moderately low FWHM, so that the α-phase structure is easily stabilized.
本発明の二酸化マンガンは、嵩密度(bulk density)が1.0g/cm3以上であり、1.2g/cm3以上であることが好ましく、1.7g/cm3以上であることがより好ましい。嵩密度が1.0g/cm3未満であると、本発明の二酸化マンガンを使用する場合に、これが充填できる量が少なくなる。なお、嵩密度は必要以上に高い必要はなく、例えば、3.0g/cm3以下、2.5g/cm3以下、2.0g/cm3以下を挙げることができる。 The manganese dioxide of the present invention has a bulk density of 1.0 g / cm 3 or more, preferably 1.2 g / cm 3 or more, and more preferably 1.7 g / cm 3 or more. . When the bulk density is less than 1.0 g / cm 3 , when the manganese dioxide of the present invention is used, the amount that can be filled decreases. The bulk density need not be higher than necessary, and examples include 3.0 g / cm 3 or less, 2.5 g / cm 3 or less, and 2.0 g / cm 3 or less.
本発明の二酸化マンガンは、見掛粒子密度(apparent particle density)が2.6g/cm3以上であることが好ましく、3.0g/cm3以上であることがより好ましく、3.4g/cm3以上であることが更に好ましい。二酸化マンガンの見掛粒子密度が2.6g/cm3以上であることで、充填性だけでなく、電気化学反応に対する活性が高くなりやすい。 The manganese dioxide of the present invention preferably has an apparent particle density of 2.6 g / cm 3 or more, more preferably 3.0 g / cm 3 or more, and 3.4 g / cm 3. It is still more preferable that it is above. When the apparent particle density of manganese dioxide is 2.6 g / cm 3 or more, not only the packing property but also the activity for the electrochemical reaction tends to be high.
ここで、嵩密度は二酸化マンガンの充填体積に対する充填質量で表される密度である。これは、二酸化マンガンの充填性の指標となるが、電気化学的な反応性についての指標とはなりにくい。一方、見掛粒子密度とは、二酸化マンガンの微細な裂け目や割れ目を含めた巨視的な形態を基準とする密度である。これは、電気化学反応に寄与する二酸化マンガンの密度の指標とすることができる。したがって、嵩密度が高くても、見掛粒子密度が低いと、二酸化マンガンの電気化学的な反応性が低くなるなど、嵩密度と二酸化マンガンの電気化学的な反応性との直接的な関係はない。嵩密度と見掛粒子密度の概念図((a)嵩密度、(b)見掛粒子密度)を図1に示す。 Here, the bulk density is a density represented by a filling mass with respect to a filling volume of manganese dioxide. This is an indicator of the filling properties of manganese dioxide, but is unlikely to be an indicator of electrochemical reactivity. On the other hand, the apparent particle density is a density based on a macroscopic form including fine cracks and cracks of manganese dioxide. This can be used as an indicator of the density of manganese dioxide that contributes to the electrochemical reaction. Therefore, even if the bulk density is high, if the apparent particle density is low, the electrochemical reactivity of manganese dioxide becomes low, and the direct relationship between the bulk density and the electrochemical reactivity of manganese dioxide is Absent. A conceptual diagram of bulk density and apparent particle density ((a) bulk density, (b) apparent particle density) is shown in FIG.
本発明の二酸化マンガンは、平均細孔直径が2nm以上50nm以下の細孔(以下、「メソ細孔」とする)の面積が10m2/g以上であることが好ましく、14m2/g以上であることがより好ましい。メソ細孔の面積が10m2/g以上であることで、本発明の二酸化マンガンを電池材料やキャパシタ材料とした場合に、電気化学反応に寄与できる表面が多くなる。これにより、電気化学反応の進行が促進されやすくなる。 In the manganese dioxide of the present invention, the area of pores having an average pore diameter of 2 nm or more and 50 nm or less (hereinafter referred to as “mesopores”) is preferably 10 m 2 / g or more, and 14 m 2 / g or more. More preferably. When the area of the mesopores is 10 m 2 / g or more, when the manganese dioxide of the present invention is used as a battery material or a capacitor material, the surface that can contribute to the electrochemical reaction increases. This facilitates the progress of the electrochemical reaction.
また、メソ細孔の容積は、0.045cm3/g以上であることが好ましく、0.05cm3/g以上であることが更により好ましい。 Further, the mesopore volume is preferably 0.045 cm 3 / g or more, and more preferably 0.05 cm 3 / g or more.
本発明の二酸化マンガンは、それに含まれる水分量は特に限定するものではないが、電気化学反応に伴うイオン移動を速やかに行い、嵩密度を高く維持するために、水分量が2.0重量%以上8.0重量%以下であることが好ましく、電解液と二酸化マンガンとの親水性がより高まり、イオン移動が進み易くなるために、2.7重量%以上8.0重量%以下がさらに好ましい。 The amount of water contained in the manganese dioxide of the present invention is not particularly limited, but the amount of water is 2.0% by weight in order to quickly move ions accompanying the electrochemical reaction and maintain a high bulk density. It is preferably not less than 8.0% by weight, and more preferably not less than 2.7% by weight and not more than 8.0% by weight because the hydrophilicity between the electrolytic solution and manganese dioxide is further increased and ion migration is facilitated. .
本発明の二酸化マンガンは、好ましくは、BET比表面積が50m2/g以上、150m2/g以下、より好ましくは120m2/g以下であることが挙げられる。BET比表面積が50m2/g以上である場合、特に本発明の二酸化マンガンをキャパシタ材料とした場合の電気二重層容量が多くなりやすい。BET比表面積が150m2/g以下であれば、二酸化マンガンの充填性をより高く維持でき、電気化学活物質として使用する際に十分な充填性となる。 The manganese dioxide of the present invention preferably has a BET specific surface area of 50 m 2 / g or more and 150 m 2 / g or less, more preferably 120 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is 50 m 2 / g or more, the electric double layer capacity tends to increase particularly when the manganese dioxide of the present invention is used as a capacitor material. If the BET specific surface area is 150 m 2 / g or less, the filling property of manganese dioxide can be maintained higher, and the filling property becomes sufficient when used as an electrochemically active material.
本発明の二酸化マンガンは、α相の結晶骨格構造の維持に寄与する第三成分を含んでいてもよい。第三成分としては、例えば、ナトリウムイオン(Na+)やカリウムイオン(K+)などのアルカリ金属イオン、バリウムイオン(Ba2+)やマグネシウムイオン(Mg2+)などのアルカリ土類金属イオン、アンモニウムイオン(NH4 +)の群から選ばれる1以上のカチオン、更にはアンモニウムイオン又はカリウムイオンのいずれか1種以上を挙げることができる。 The manganese dioxide of the present invention may contain a third component that contributes to the maintenance of the α-phase crystal skeleton structure. Examples of the third component include alkali metal ions such as sodium ion (Na + ) and potassium ion (K + ), alkaline earth metal ions such as barium ion (Ba 2+ ) and magnesium ion (Mg 2+ ), and ammonium ions. One or more cations selected from the group (NH 4 + ), and any one or more of ammonium ions and potassium ions can be mentioned.
本発明の二酸化マンガンが第三成分としてアンモニウムイオンを含有する場合、その含有量は0.6重量%を超え、更には1.2重量%以上、また更には1.6重量%以上であってもよい。なお、アンモニウムイオン含有量(重量%)は、本発明の二酸化マンガンの重量におけるアンモニウムイオンの重量の割合である。 When the manganese dioxide of the present invention contains ammonium ions as the third component, its content exceeds 0.6% by weight, further 1.2% by weight or more, and further 1.6% by weight or more. Also good. In addition, ammonium ion content (weight%) is the ratio of the weight of the ammonium ion in the weight of the manganese dioxide of this invention.
本発明の二酸化マンガンが第三成分としてカリウムイオンを含有する場合、その含有量は1.6重量%以上であってもよい。なお、カリウムイオン含有量(重量%)は、本発明の二酸化マンガンの重量におけるカリウムイオンの重量の割合である。 When the manganese dioxide of the present invention contains potassium ions as the third component, the content may be 1.6% by weight or more. In addition, potassium ion content (weight%) is the ratio of the weight of the potassium ion in the weight of the manganese dioxide of this invention.
本発明の二酸化マンガンは、40重量%水酸化カリウム水溶液中で水銀/酸化水銀参照電極を基準として測定したときの電位(以下、「アルカリ電位」とする)が400mV以下、好ましくは300mV以下、より好ましくは260mV以下、更には250mV以下、また更には240mV以下であることが挙げられる。アルカリ電位が400mV以下であることで二酸化マンガンが安定になりやすい。また、アルカリ電位の下限値としては、180mV以上を例示することができる。 The manganese dioxide of the present invention has a potential (hereinafter referred to as “alkali potential”) of 400 mV or less, preferably 300 mV or less, as measured with a mercury / mercury oxide reference electrode as a standard in a 40 wt% aqueous potassium hydroxide solution. Preferably, it is 260 mV or less, further 250 mV or less, and further 240 mV or less. Manganese dioxide tends to be stable when the alkali potential is 400 mV or less. Moreover, 180 mV or more can be illustrated as a lower limit of an alkaline potential.
本発明の二酸化マンガンの粒子径は、用途に応じて適宜調整することができる。本発明の二酸化マンガンの平均粒子径として1μm以上50μm以下を例示することができる。 The particle diameter of the manganese dioxide of the present invention can be appropriately adjusted according to the application. Examples of the average particle diameter of the manganese dioxide of the present invention include 1 μm or more and 50 μm or less.
本発明の二酸化マンガンは、上記の結晶構造及び充填性を有していれば化学二酸化マンガン又は電解二酸化マンガンのいずれでもよい。一般的に充填性が高いため、本発明の二酸化マンガンは電解二酸化マンガンであることが好ましい。 The manganese dioxide of the present invention may be either chemical manganese dioxide or electrolytic manganese dioxide as long as it has the crystal structure and filling properties described above. In general, since the filling property is high, the manganese dioxide of the present invention is preferably electrolytic manganese dioxide.
本発明の二酸化マンガンは、例えば、リチウム一次電池やアルカリ電池などの一次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極活物質、並びに、マグネシウムイオン電池やカルシウムイオン電池など多価カチオン二次電池などの二次電池用正極活物質、レッドックスキャパシタや電気二重層キャパシタ又はスーパーキャパシタなどのキャパシタ電極活物質、金属空気二次電池用の酸素還元触媒などの各種の電気化学活物質とすることができる。これらの電気化学活物質は、本発明の二酸化マンガンをそのまま使用することで製造してもよいが、必要に応じてリチウム等の他の化合物とこれを混合、焼成等することで製造してもよい。 The manganese dioxide of the present invention includes, for example, a positive electrode active material for a primary battery such as a lithium primary battery and an alkaline battery, a positive electrode active material for a lithium secondary battery, and a multivalent cation secondary battery such as a magnesium ion battery and a calcium ion battery. The positive electrode active material for secondary batteries, capacitor electrode active materials such as Redox capacitors, electric double layer capacitors or supercapacitors, and various electrochemical active materials such as oxygen reduction catalysts for metal-air secondary batteries . These electrochemically active materials may be produced by using the manganese dioxide of the present invention as it is, but may also be produced by mixing, baking, etc. with other compounds such as lithium as necessary. Good.
次に、本発明の二酸化マンガンの製造方法を説明する。 Next, the manufacturing method of the manganese dioxide of this invention is demonstrated.
本発明の二酸化マンガンは、上記の結晶構造及び充填性を有していれば、その製造方法は化学法又は電解法のいずれでもよい。 The manufacturing method of the manganese dioxide of the present invention may be either a chemical method or an electrolytic method as long as it has the above crystal structure and filling properties.
本発明の二酸化マンガンの好ましい製造方法として、マンガンイオン濃度に対する、アンモニウムイオン又はカリウムイオンのいずれか1種以上のカチオン濃度が、モル比で1.2以上ある硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解する電解工程を有することを特徴とする二酸化マンガンの製造方法を挙げることができる。 As a preferred method for producing manganese dioxide according to the present invention, electrolysis is performed by electrolyzing a sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution in which the cation concentration of at least one of ammonium ions and potassium ions is 1.2 or more in molar ratio with respect to the manganese ion concentration. The manufacturing method of manganese dioxide characterized by having a process can be mentioned.
上記の製造方法における電解工程では、硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解液として使用する。電解液が硫酸マンガン水溶液である電解方法とは異なり、電解液が硫酸−硫酸マンガン混合溶液である電解方法では、電解中の硫酸濃度が一定となる。これにより、得られる二酸化マンガンの物性のバラツキが小さくなりやすい。 In the electrolysis step in the above production method, a sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution is used as an electrolytic solution. Unlike the electrolytic method in which the electrolytic solution is an aqueous manganese sulfate solution, in the electrolytic method in which the electrolytic solution is a sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution, the sulfuric acid concentration during electrolysis is constant. Thereby, the variation in the physical property of the obtained manganese dioxide tends to become small.
硫酸−硫酸マンガン混合溶液の硫酸濃度は15g/L以上40g/L以下であることが好ましく、20g/L以上35g/L以下であることが更に好ましい。なお、ここでいう硫酸濃度とは、硫酸マンガンの二価の陰イオンは除いた値である。 The sulfuric acid concentration of the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution is preferably 15 g / L or more and 40 g / L or less, and more preferably 20 g / L or more and 35 g / L or less. In addition, the sulfuric acid concentration here is a value excluding the divalent anion of manganese sulfate.
硫酸−硫酸マンガン混合溶液は、アンモニウムイオン(NH4 +)又はカリウムイオン(K+)のいずれか1種以上のカチオン(以下、単に「カチオン」とする)を含有する。硫酸−硫酸マンガン混合溶液がカチオンを含有することにより、カチオンを取り込みながら二酸化マンガンが電解析出し、本発明の二酸化マンガンがα相を多く含む結晶構造になると考えられる。 The sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution contains one or more cations of ammonium ions (NH 4 + ) or potassium ions (K + ) (hereinafter simply referred to as “cations”). It is considered that when the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution contains cations, manganese dioxide is electrolytically precipitated while taking in cations, and the manganese dioxide of the present invention has a crystal structure containing a large amount of α phase.
硫酸−硫酸マンガン混合溶液における、マンガンイオン濃度(Mn2+濃度)に対するカチオン濃度(以下、「カチオン/マンガン比」とする)が、モル比で1.2以上である。カチオン/マンガン比がモル比で1.2未満では、得られる二酸化マンガンがα相の含有量が著しく低い二酸化マンガンとなる。カチオン/マンガン比は、モル比で1.5以上であることが好ましく、1.7以上であることがより好ましく、1.9以上であることが更に好ましい。一方、カチオン/マンガン比が高くなりすぎると、得られる二酸化マンガンのα相の含有量が減少する傾向にある。そのため、カチオン/マンガン比の上限は、モル比で13以下、更には10以下、また更には8以下であることが例示できる。 The cation concentration (hereinafter referred to as “cation / manganese ratio”) relative to the manganese ion concentration (Mn 2+ concentration) in the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution is 1.2 or more in molar ratio. When the cation / manganese ratio is less than 1.2 in terms of molar ratio, the resulting manganese dioxide is manganese dioxide having a significantly low α-phase content. The cation / manganese ratio is preferably 1.5 or more, more preferably 1.7 or more, and still more preferably 1.9 or more in terms of molar ratio. On the other hand, if the cation / manganese ratio becomes too high, the content of the α phase of the resulting manganese dioxide tends to decrease. Therefore, the upper limit of the cation / manganese ratio can be exemplified as 13 or less, further 10 or less, and further 8 or less in molar ratio.
上記のカチオン/マンガン比を満たせば、硫酸−硫酸マンガン混合溶液のカチオン濃度は任意の濃度とすることができる。硫酸−硫酸マンガン混合溶液のカチオン濃度として、例えば、10g/L以上、更には15g/L以上、また更には17g/L以上を挙げることができる。 If the above cation / manganese ratio is satisfied, the cation concentration of the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution can be set to an arbitrary concentration. Examples of the cation concentration of the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution include 10 g / L or more, further 15 g / L or more, and further 17 g / L or more.
一方、カチオン濃度が高くなりすぎると、硫酸−硫酸マンガン混合溶液中に析出物が生じ、電解ができない場合がある。そのため、カチオン濃度は、析出物が生じない程度であることが好ましい。析出物が生じない程度の濃度として、例えば、カチオンがアンモニウムイオンである場合、140g/L以下、また、カチオンがカリウムイオンである場合は、75g/L以下を挙げることができる。 On the other hand, if the cation concentration becomes too high, precipitates are generated in the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution, and electrolysis may not be possible. Therefore, the cation concentration is preferably such that no precipitate is generated. Examples of the concentration at which no precipitate is generated include 140 g / L or less when the cation is an ammonium ion, and 75 g / L or less when the cation is a potassium ion.
上記のカチオン/マンガン比を満たせば、硫酸−硫酸マンガン混合溶液中のマンガンイオン濃度(Mn2+濃度)は任意の値とすることができる。硫酸−硫酸マンガン混合溶液中のマンガンイオン濃度として、例えば20g/L以上、40g/L以下を挙げることができる。 If the above cation / manganese ratio is satisfied, the manganese ion concentration (Mn 2+ concentration) in the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution can be set to an arbitrary value. Examples of the manganese ion concentration in the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution include 20 g / L or more and 40 g / L or less.
電解工程では、カチオン濃度を一定にするために、電解中の硫酸−硫酸マンガン混合溶液にカチオン含有硫酸マンガン水溶液を添加することが好ましい。 In the electrolysis step, it is preferable to add a cation-containing manganese sulfate aqueous solution to the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution during electrolysis in order to keep the cation concentration constant.
カチオン含有硫酸マンガン水溶液は、カチオンの硫酸塩を含有する硫酸マンガン水溶液であることが例示できる。例えば、カチオンがアンモニウムイオンである場合、カチオン含有硫酸マンガン水溶液としては、硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン水溶液が挙げられる。また、カチオンがカリウムイオンである場合、カチオン含有硫酸マンガン水溶液としては、硫酸カリウム含有硫酸マンガン水溶液が例示できる。 The cation-containing manganese sulfate aqueous solution can be exemplified as a manganese sulfate aqueous solution containing a cation sulfate. For example, when the cation is an ammonium ion, examples of the cation-containing manganese sulfate aqueous solution include an ammonium sulfate-containing manganese sulfate aqueous solution. Moreover, when a cation is a potassium ion, potassium sulfate containing manganese sulfate aqueous solution can be illustrated as a cation containing manganese sulfate aqueous solution.
電解工程における電解電流密度は、1.0A/dm2未満であることが好ましく、0.9A/dm2以下であることがより好ましい。1.0A/dm2以上の電解電流密度による電解は、電解電極を酸化させ、これを劣化させやすい。これに加え、二酸化マンガンが電解析出する効率、いわゆる電流効率が低下する傾向にある。電解電極の劣化抑制、及び、効率的な電解とし、なおかつ、α相を多く含む酸化マンガンを得るためには、電解電流密度は0.3A/dm2以上が好ましく、0.45A/dm2以上であることがより好ましい。 The electrolysis current density in the electrolysis process is preferably less than 1.0 A / dm 2 , and more preferably 0.9 A / dm 2 or less. Electrolysis with an electrolytic current density of 1.0 A / dm 2 or more tends to oxidize the electrolytic electrode and degrade it. In addition to this, the efficiency of electrolytic deposition of manganese dioxide, so-called current efficiency, tends to decrease. In order to suppress deterioration of the electrolytic electrode and achieve efficient electrolysis, and to obtain manganese oxide containing a large amount of α phase, the electrolysis current density is preferably 0.3 A / dm 2 or more, and 0.45 A / dm 2 or more. It is more preferable that
電解工程における電解温度は、例えば、90℃を超え、98℃以下、更には、93℃以上、97℃以下を挙げることができる。 The electrolysis temperature in the electrolysis step is, for example, more than 90 ° C. and 98 ° C. or less, and further 93 ° C. or more and 97 ° C. or less.
本発明の製造方法では、電解工程の後に、洗浄工程、中和工程又は粉砕工程のいずれか1以上の工程を含んでいてもよい。 In the production method of the present invention, after the electrolysis step, any one or more of a washing step, a neutralization step and a pulverization step may be included.
洗浄工程では、二酸化マンガンに付着した不純物や含有する不純物を除去するために行う。洗浄方法としては、一定時間攪拌しながら水浴や温浴などの水に二酸化マンガンを浸漬させる方法を例示することができる。 The cleaning process is performed to remove impurities adhering to manganese dioxide and impurities contained therein. Examples of the cleaning method include a method of immersing manganese dioxide in water such as a water bath or a warm bath while stirring for a certain time.
中和工程では、電解工程により得られる二酸化マンガンは酸性をしている場合がある。用途により適宜、中和するために行う。中和方法としては、二酸化マンガンが所望のpHとなるように、これをアルカリ金属水酸化物の水溶液等で洗浄する方法を例示することができる。 In the neutralization step, manganese dioxide obtained by the electrolysis step may be acidic. This is carried out for neutralization depending on the purpose. Examples of the neutralization method include a method of washing this with an aqueous solution of an alkali metal hydroxide or the like so that the manganese dioxide has a desired pH.
粉砕工程では、電解工程で得られた二酸化マンガンを所望の粒子径とするために行う。粉砕方法としては、乾式粉砕や湿式粉砕のいずれでもよく、乳鉢やローラーミルなどの一般的な粉砕機を用いる方法を例示することができる。 In the pulverization step, manganese dioxide obtained in the electrolysis step is performed to obtain a desired particle size. The pulverization method may be either dry pulverization or wet pulverization, and examples thereof include a method using a general pulverizer such as a mortar or a roller mill.
本発明の製造方法では、さらに、親水化処理工程を経ることにより、二酸化マンガンに含まれる水分量を増やすことができる。親水化処理の方法としては、例えば、二酸化マンガンを酸液に浸漬し、加温下で、一定時間攪拌した後に、ろ過分離する方法等が例示される。親水化処理工程は、例えば、電解工程の後や、電解工程で得られた二酸化マンガンを粉砕する粉砕工程の後に行われ、酸液には、例えば、1〜8mol/Lの硫酸、1〜8mol/Lの硝酸等が用いられ、加温は、例えば、40℃〜80℃で行い、撹拌時間は、例えば、0.5時間〜6時間で行う。 In the production method of the present invention, the amount of water contained in manganese dioxide can be further increased through a hydrophilization treatment step. Examples of the hydrophilization method include a method of immersing manganese dioxide in an acid solution, stirring the solution for a certain period of time under heating, and then filtering and separating. The hydrophilization treatment step is performed, for example, after the electrolysis step or after the pulverization step of pulverizing manganese dioxide obtained in the electrolysis step. For the acid solution, for example, 1-8 mol / L sulfuric acid, 1-8 mol / L nitric acid or the like is used, and the heating is performed, for example, at 40 ° C. to 80 ° C., and the stirring time is, for example, 0.5 hours to 6 hours.
本発明により、α型の結晶相を有する二酸化マンガンを提供することができる。さらには、本発明により、充填性が高く、なおかつ、電気化学活物質として優れた特性を有する可能性のある二酸化マンガンを提供することができる。 According to the present invention, manganese dioxide having an α-type crystal phase can be provided. Furthermore, according to the present invention, manganese dioxide having high filling properties and possibly having excellent characteristics as an electrochemically active material can be provided.
さらに、本発明の製造方法により、工業的規模の生産に適用できるα型の結晶相を有する二酸化マンガンの製造方法を提供することができる。 Furthermore, the manufacturing method of the present invention can provide a method for manufacturing manganese dioxide having an α-type crystal phase that can be applied to industrial-scale production.
以下、本発明を実施例及び比較例により詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention in detail, this invention is not limited to these Examples.
(粉末X線回折測定)
一般的なX線回折装置(マックサイエンス社製MXP−3)を使用し、試料の粉末X線回折測定を行った。線源にはCuKα線(λ=1.5405Å)を用い、測定モードはステップスキャン、スキャン条件は毎秒0.04°、計測時間は3秒、および測定範囲は2θとして5°から80°の範囲で測定した。
(Powder X-ray diffraction measurement)
The powder X-ray diffraction measurement of the sample was performed using a general X-ray diffractometer (MXP-3 manufactured by Mac Science). A CuKα ray (λ = 1.5405 mm) is used as the radiation source, the measurement mode is step scan, the scan condition is 0.04 ° per second, the measurement time is 3 seconds, and the measurement range is 2 ° to 5 ° to 80 °. Measured with
得られた粉末X線回折パターンと各JCPDSの粉末X線回折パターンとを比較し、試料の結晶相の同定を行った。なお、α相の同定にはJCPDS53−633、β相の同定にはJCPDS24−735、及びγ相の同定にはJCPDS14−644の各粉末X線回折パターンを用いた。 The obtained powder X-ray diffraction pattern was compared with the powder X-ray diffraction pattern of each JCPDS, and the crystal phase of the sample was identified. The powder X-ray diffraction patterns of JCPDS 53-633, JCPDS 24-735 for identification of the β phase, and JCPDS 14-644 for identification of the γ phase were used for the α phase identification.
(γ(110)/α(110)の算出)
上記の粉末X線回折測定で得られた粉末X線回折パターンの2θ=13±2°のピーク強度をα(110)の強度(Iα)とみなし、2θ=22±2°のピーク強度をγ(110)の強度(Iγ)とみなした。得られたIα、Iγ、及び2θ=37±2°のピーク強度(I0)から、以下の式のよりγ(110)/α(110)を求めた。
(Calculation of γ (110) / α (110))
The peak intensity of 2θ = 13 ± 2 ° of the powder X-ray diffraction pattern obtained by the above powder X-ray diffraction measurement is regarded as α (110) intensity (I α ), and the peak intensity of 2θ = 22 ± 2 ° is determined. The intensity (I γ ) of γ (110) was considered. From the obtained I α , I γ , and the peak intensity (I 0 ) of 2θ = 37 ± 2 °, γ (110) / α (110) was determined from the following equation.
γ(110)/α(110)={(Iγ)/(I0)}/{(Iα)/(I0)}
(FWHMの測定)
上記の粉末X線回折測定で得られた粉末X線回折パターンの2θ=13±2°のピークをα(110)とみなし、当該ピークのFWHMを測定した。
γ (110) / α (110) = {(I γ ) / (I 0 )} / {(I α ) / (I 0 )}
(Measurement of FWHM)
The 2θ = 13 ± 2 ° peak of the powder X-ray diffraction pattern obtained by the above powder X-ray diffraction measurement was regarded as α (110), and the FWHM of the peak was measured.
(細孔面積及び細孔容積の測定)
メソ細孔の細孔面積及び細孔容積は水銀圧入法(測定装置:ポアサイザー9510、マイクロメリティクス社製)により求めた。
(Measurement of pore area and pore volume)
The pore area and pore volume of the mesopores were determined by mercury porosimetry (measuring device: pore sizer 9510, manufactured by Micromeritics).
測定の前処理として試料を80℃で静置乾燥した。乾燥後の試料を測定容器に充填し、当該容器に圧力範囲を大気圧から414MPaまで段階的に変化させながら水銀を導入することにより、試料の細孔面積及び細孔容積を測定した。 As a pretreatment for the measurement, the sample was left to dry at 80 ° C. The sample after drying was filled into a measurement container, and mercury was introduced into the container while gradually changing the pressure range from atmospheric pressure to 414 MPa, thereby measuring the pore area and pore volume of the sample.
この測定により細孔分布(容積分布)を求め、細孔直径2nm以上200nm以下の細孔を「二次細孔」とし、細孔直径2nm以上50nm以下の細孔を「メソ細孔」とした。 The pore distribution (volume distribution) was obtained by this measurement, and pores having a pore diameter of 2 nm or more and 200 nm or less were designated as “secondary pores”, and pores having a pore diameter of 2 nm or more and 50 nm or less were designated as “mesopores”. .
(嵩密度及び見掛粒子密度の測定)
嵩密度及び見掛粒子密度は水銀圧入法(測定装置:ポアサイザー9510、マイクロメリティクス社製)を用い、メソ細孔の細孔面積及び細孔容積と同様な方法で測定した。
(Measurement of bulk density and apparent particle density)
The bulk density and the apparent particle density were measured by a mercury intrusion method (measuring device: Pore Sizer 9510, manufactured by Micromeritics) in the same manner as the pore area and pore volume of mesopores.
嵩密度は以下の式より求めた。すなわち、測定容器の容積(Vc)から、大気圧で試料中に導入された水銀容積(VHg)を除去した体積を、試料容積(VMn)とみなした。当該試料容積に対する、試料の質量(WMn)を求め嵩密度(ρB)とした。 The bulk density was determined from the following formula. That is, the volume obtained by removing the mercury volume (V Hg ) introduced into the sample at atmospheric pressure from the volume (V c ) of the measurement container was regarded as the sample volume (V Mn ). The mass (W Mn ) of the sample with respect to the sample volume was determined and used as the bulk density (ρ B ).
VMn=Vc−VHg
ρB=WMn/VMn
さらに、見掛粒子密度は以下の式より求めた。すなわち、測定容器の容積(Vc)から、414MPaの圧力で試料中に導入された水銀容積(VHg’)を除去した体積を、試料容積(VMn’)とみなした。当該試料容積に対する、試料の質量(WMn)を求め見掛粒子密度(ρA)とした。
V Mn = V c -V Hg
ρ B = W Mn / V Mn
Furthermore, the apparent particle density was determined from the following equation. That is, the volume obtained by removing the mercury volume (V Hg ′) introduced into the sample at a pressure of 414 MPa from the volume (V c ) of the measurement container was regarded as the sample volume (V Mn ′). The mass (W Mn ) of the sample with respect to the sample volume was determined and used as the apparent particle density (ρ A ).
VMn’=Vc−VHg’
ρA=WMn/VMn’
なお、大気圧で試料中に導入された水銀容積は粒子間に形成された容積に相当する。一方、414MPaの圧力で試料中に導入された水銀容積は、粒子間及び細孔直径200nmの細孔容積の合計容積に相当する。見掛粒子密度および嵩密度の概念図を図1に示す。
V Mn '= V c -V Hg '
ρ A = W Mn / V Mn '
Note that the mercury volume introduced into the sample at atmospheric pressure corresponds to the volume formed between the particles. On the other hand, the volume of mercury introduced into the sample at a pressure of 414 MPa corresponds to the total volume between the particles and the pore volume with a pore diameter of 200 nm. A conceptual diagram of the apparent particle density and bulk density is shown in FIG.
(BET比表面積の測定)
電解二酸化マンガンのBET比表面積はBET1点法の窒素吸着により測定した。測定装置にはガス吸着式比表面積測定装置(フローソーブIII、島津社製)を用いた。測定に先立ち、150℃で40分間加熱して測定試料の脱気処理を行った。
(Measurement of BET specific surface area)
The BET specific surface area of electrolytic manganese dioxide was measured by nitrogen adsorption using the BET one-point method. A gas adsorption type specific surface area measuring device (Flowsorb III, manufactured by Shimadzu Corporation) was used as a measuring device. Prior to the measurement, the measurement sample was deaerated by heating at 150 ° C. for 40 minutes.
(アルカリ電位の測定)
試料のアルカリ電位は、40%水酸化カリウム水溶液中で次のように測定した。
(Measurement of alkali potential)
The alkali potential of the sample was measured in a 40% aqueous potassium hydroxide solution as follows.
試料3gに導電剤としてカーボンを0.9g加えて混合粉体とした。この混合粉体に40%水酸化カリウム水溶液4mlを加え、試料、カーボン及び水酸化カリウム水溶液の混合物スラリーとした。水銀/酸化水銀参照電極を基準として、この混合物スラリーの電位を測定し、試料のアルカリ電位とした。 0.9 g of carbon as a conductive agent was added to 3 g of the sample to obtain a mixed powder. 4 ml of 40% potassium hydroxide aqueous solution was added to this mixed powder to prepare a mixture slurry of the sample, carbon and potassium hydroxide aqueous solution. Using the mercury / mercury oxide reference electrode as a standard, the potential of the mixture slurry was measured to obtain the alkali potential of the sample.
(水分量の測定)
電解二酸化マンガンの水分量は、常温〜110℃までの重量減少分(ΔTa)を熱分析装置(TG−DTA6300、セイコーインスツルメンツ社製)で測定し、1000℃における重量(T1000)で除して求めた。測定条件は、窒素ガス100CC/分の気流下、昇温速度10℃/分とした。
(Measurement of water content)
The water content of electrolytic manganese dioxide is determined by measuring the weight loss (ΔTa) from room temperature to 110 ° C with a thermal analyzer (TG-DTA6300, manufactured by Seiko Instruments Inc.) and dividing by the weight at 1000 ° C (T1000). It was. The measurement conditions were a temperature increase rate of 10 ° C./min under a stream of nitrogen gas of 100 CC / min.
水分量(重量%)=ΔTa/T1000 × 100
実施例1
硫酸マンガンと硫酸アンモニウムを水に溶解し、マンガンイオン濃度27.6g/L、アンモニウムイオン濃度18g/Lのアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を得た。
Water content (% by weight) = ΔTa / T1000 × 100
Example 1
Manganese sulfate and ammonium sulfate were dissolved in water to obtain an ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 27.6 g / L and an ammonium ion concentration of 18 g / L.
得られたアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解液とし、当該電解液中のアンモニウムイオン濃度が18g/Lで一定になるように硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加しながら電解を行い、電着物を得た。電解電流密度を0.88A/dm2、電解温度を96℃、及び電解時間を24時間とした。 The obtained ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution was used as an electrolytic solution, and electrolysis was performed while continuously adding the ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution so that the ammonium ion concentration in the electrolytic solution was constant at 18 g / L. An electrodeposit was obtained. The electrolysis current density was 0.88 A / dm 2 , the electrolysis temperature was 96 ° C., and the electrolysis time was 24 hours.
電解液中のアンモニウムイオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比はNH4 +/Mn2+=1.99、及び、電解終了時の電解電圧は1.89Vであった。 The molar ratio between the ammonium ion concentration and the manganese ion concentration in the electrolytic solution was NH 4 + / Mn 2+ = 1.99, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 1.89 V.
得られた電着物を電極から剥離後、粉砕し、水洗して、平均粒子径40μmの電解二酸化マンガンを得た。得られた電解二酸化マンガンは、主結晶相がγ相であったが、α相を多く含んでいた。 The obtained electrodeposit was peeled from the electrode, pulverized, and washed with water to obtain electrolytic manganese dioxide having an average particle size of 40 μm. The obtained electrolytic manganese dioxide had a main crystal phase of γ phase, but contained a lot of α phase.
電解条件を表1に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表2にそれぞれ示した。また、電解二酸化マンガンの走査型電子顕微鏡写真を図2に、細孔径分布を図3に示した。 The electrolytic conditions are shown in Table 1, and the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 2, respectively. A scanning electron micrograph of electrolytic manganese dioxide is shown in FIG. 2, and the pore size distribution is shown in FIG.
実施例2
電解液として、マンガンイオン濃度27.5g/L、アンモニウムイオン濃度36g/Lのアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を使用したこと、及び、電解液中のアンモニウムイオン濃度が36g/Lで一定になるように硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと以外は、実施例1と同様な条件で電解二酸化マンガンを得た。得られた電解二酸化マンガンはα相及びγ相を含み、なおかつ、α相が主結晶相であった。
Example 2
The electrolyte used was an ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 27.5 g / L and an ammonium ion concentration of 36 g / L, and the ammonium ion concentration in the electrolyte was constant at 36 g / L. Thus, electrolytic manganese dioxide was obtained under the same conditions as in Example 1 except that the ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution was continuously added. The obtained electrolytic manganese dioxide contained an α phase and a γ phase, and the α phase was the main crystal phase.
電解液中のアンモニウムイオン濃度とマンガンイオン濃度のモル比はNH4 +/Mn2+=3.99、及び、電解終了時の電解電圧は1.79Vであった。 The molar ratio of the ammonium ion concentration to the manganese ion concentration in the electrolytic solution was NH 4 + / Mn 2+ = 3.99, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 1.79V.
電解条件を表1に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表2にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions are shown in Table 1, and the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 2, respectively.
実施例3
電解液として、マンガンイオン濃度32.3g/L、アンモニウムイオン濃度72g/Lのアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を使用したこと、電解液中のアンモニウムイオン濃度が72g/Lで一定になるように硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと、及び、電解電流密度を0.5A/dm3としたこと以外は、実施例1と同様な条件で電解二酸化マンガンを得た。得られた電解二酸化マンガンはα相及びγ相を含み、なおかつ、α相が主結晶相であった。
Example 3
As an electrolytic solution, an ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 32.3 g / L and an ammonium ion concentration of 72 g / L was used, so that the ammonium ion concentration in the electrolytic solution was constant at 72 g / L. An electrolytic manganese dioxide was obtained under the same conditions as in Example 1, except that the ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution was continuously added to the sample, and the electrolytic current density was 0.5 A / dm 3 . The obtained electrolytic manganese dioxide contained an α phase and a γ phase, and the α phase was the main crystal phase.
電解液中のアンモニウムイオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比はNH4 +/Mn2+=6.80、及び、電解終了時の電解電圧は1.77Vであった。 The molar ratio between the ammonium ion concentration and the manganese ion concentration in the electrolytic solution was NH 4 + / Mn 2+ = 6.80, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 1.77 V.
電解条件を表1に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表2に、粉末X線回折パターンを図4にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions are shown in Table 1, the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 2, and the powder X-ray diffraction pattern is shown in FIG.
実施例4
硫酸マンガンと硫酸カリウムを水に溶解し、マンガンイオン濃度32.0g/L、カリウムイオン濃度39g/Lのカリウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を得た。
Example 4
Manganese sulfate and potassium sulfate were dissolved in water to obtain a potassium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 32.0 g / L and a potassium ion concentration of 39 g / L.
得られたカリウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解液として使用したこと、及び、電解液中のカリウムイオン濃度が39g/Lで一定になるように硫酸カリウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと以外は、実施例1と同様な条件で電解二酸化マンガンを得た。得られた電解二酸化マンガンはα相及びγ相を含み、なおかつ、α相が主結晶相であった。 The obtained potassium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution was used as an electrolytic solution, and a potassium sulfate-containing manganese sulfate solution was continuously added so that the potassium ion concentration in the electrolytic solution was constant at 39 g / L. Except that, electrolytic manganese dioxide was obtained under the same conditions as in Example 1. The obtained electrolytic manganese dioxide contained an α phase and a γ phase, and the α phase was the main crystal phase.
電解液中のカリウムイオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比はK+/Mn2+=1.72、及び、電解終了時の電解電圧は2.25Vであった。 The molar ratio of the potassium ion concentration to the manganese ion concentration in the electrolytic solution was K + / Mn 2+ = 1.72, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 2.25V.
電解条件を表1に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表2にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions are shown in Table 1, and the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 2, respectively.
比較例1
硫酸マンガンと硫酸を水に溶解し、マンガンイオン濃度27.7g/Lの硫酸−硫酸マンガン混合溶液を得た。なお、当該混合溶液は、アンモニウムイオン及びカリウムイオンのいずれも含有していない。
Comparative Example 1
Manganese sulfate and sulfuric acid were dissolved in water to obtain a sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 27.7 g / L. The mixed solution contains neither ammonium ions nor potassium ions.
得られた硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解液として使用したこと、及び、電解液中のマンガンイオン濃度が27.7g/Lで一定になるように硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと以外は実施例1と同様な条件で二酸化マンガンを得た。 Except that the obtained sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution was used as the electrolytic solution and that the manganese sulfate solution was continuously added so that the manganese ion concentration in the electrolytic solution was constant at 27.7 g / L. Manganese dioxide was obtained under the same conditions as in Example 1.
電解液中のカチオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比は0、及び、電解終了時の電解電圧は2.01Vであった。得られた電解二酸化マンガンは、γ相を主結晶相とするものであった。 The molar ratio of the cation concentration to the manganese ion concentration in the electrolytic solution was 0, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 2.01V. The obtained electrolytic manganese dioxide had a γ phase as a main crystal phase.
電解条件を表1に、二酸化マンガンの物性評価結果を表2にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions are shown in Table 1, and the physical property evaluation results of manganese dioxide are shown in Table 2.
比較例2
電解液として、マンガンイオン濃度27.4g/L、アンモニウムイオン濃度9g/Lのアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を使用したこと、及び、電解液中のアンモニウムイオン濃度が9g/Lで一定になるように硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと以外は、実施例1と同様な条件で二酸化マンガンを得た。電解液中のアンモニウムイオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比はNH4 +/Mn2+=1.00、及び、電解終了時の電解電圧は1.93Vであった。得られた電解二酸化マンガンは、わずかにα相を含むγ相であった。
Comparative Example 2
The electrolyte used was an ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 27.4 g / L and an ammonium ion concentration of 9 g / L, and the ammonium ion concentration in the electrolyte was constant at 9 g / L. Thus, manganese dioxide was obtained under the same conditions as in Example 1 except that the ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution was continuously added. The molar ratio between the ammonium ion concentration and the manganese ion concentration in the electrolytic solution was NH 4 + / Mn 2+ = 1.00, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 1.93 V. The obtained electrolytic manganese dioxide was a γ phase slightly including an α phase.
電解条件を表1に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表2にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions are shown in Table 1, and the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 2, respectively.
比較例3
電解液として、マンガンイオン濃度51g/L、アンモニウムイオン濃度10.9g/Lのアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を使用したこと、電解液中のアンモニウムイオン濃度が10.9g/Lで一定になるように硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと、電解電流密度を1.0A/dm3としたこと、及び、電解温度を95℃としたこと以外は、実施例1と同様な条件で電解二酸化マンガンを得た。電解液中のアンモニウムイオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比はNH4 +/Mn2+=0.65、及び、電解終了時の電解電圧は1.95Vであった。得られた電解二酸化マンガンはγ相が主結晶相であり、ごくわずかにα相が含まれているに過ぎなかった。
Comparative Example 3
The electrolyte used was an ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 51 g / L and an ammonium ion concentration of 10.9 g / L, and the ammonium ion concentration in the electrolyte was constant at 10.9 g / L. The same conditions as in Example 1 except that the ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution was continuously added, the electrolysis current density was 1.0 A / dm 3 , and the electrolysis temperature was 95 ° C. Electrolytic manganese dioxide was obtained. The molar ratio of ammonium ion concentration to manganese ion concentration in the electrolytic solution was NH 4 + / Mn 2+ = 0.65, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 1.95V. The obtained electrolytic manganese dioxide had a γ phase as a main crystal phase and contained only a slight α phase.
電解条件を表1に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表2に、粉末X線回折パターンを図5にそれぞれ示した。 The electrolysis conditions are shown in Table 1, the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 2, and the powder X-ray diffraction pattern is shown in FIG.
比較例4
電解液として、マンガンイオン濃度52g/L、アンモニウムイオン濃度16.4g/Lのアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を使用したこと、マンガンイオン濃度58g/Lの硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を用いたこと、電解液中のアンモニウムイオン濃度が16.4g/Lで一定になるように硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと、電解電流密度を1.0A/dm3としたこと、及び、電解温度を95℃としたこと以外は、実施例1と同様な条件で電解二酸化マンガンを得た。電解液中のアンモニウムイオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比はNH4 +/Mn2+=0.96、及び、電解終了時の電解電圧は1.89Vであった。得られた電解二酸化マンガンはγ相が主結晶相であり、ごくわずかにα相が含まれているに過ぎなかった。
Comparative Example 4
As the electrolyte, an ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 52 g / L and an ammonium ion concentration of 16.4 g / L was used, and an ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution having a manganese ion concentration of 58 g / L was used. The ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution was continuously added so that the ammonium ion concentration in the electrolyte was constant at 16.4 g / L, the electrolysis current density was 1.0 A / dm 3 , and the electrolysis Electrolytic manganese dioxide was obtained under the same conditions as in Example 1 except that the temperature was 95 ° C. The molar ratio between the ammonium ion concentration and the manganese ion concentration in the electrolytic solution was NH 4 + / Mn 2+ = 0.96, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 1.89 V. The obtained electrolytic manganese dioxide had a γ phase as a main crystal phase and contained only a slight α phase.
電解条件を表1に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表2にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions are shown in Table 1, and the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 2, respectively.
比較例5
硫酸マンガンと硫酸カリウムを水に溶解し、マンガンイオン濃度32.2g/L、カリウムイオン濃度78g/Lのカリウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を得た。
Comparative Example 5
Manganese sulfate and potassium sulfate were dissolved in water to obtain a potassium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 32.2 g / L and a potassium ion concentration of 78 g / L.
得られたカリウム含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解液として使用した。しかしながら、電解開始直前に硫酸−硫酸マンガン混合溶液中に白色沈殿が生じたため、電解が行えなかった。電解条件を表1に示した。 The obtained potassium-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution was used as an electrolytic solution. However, since white precipitation occurred in the sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution immediately before the start of electrolysis, electrolysis could not be performed. The electrolysis conditions are shown in Table 1.
比較例6
硫酸マンガンと硫酸とを純水に溶解し、マンガンイオン濃度20g/L、硫酸濃度490g/L(5mol/L)の硫酸−硫酸マンガン混合液を得た。温度96℃、攪拌下で、得られた混合液に0.1mol/Lの過マンガン酸カリウム(KMnO6)水溶液を添加して沈殿物を得た。当該沈殿物をろ過、乾燥して化学二酸化マンガンを得た。
Comparative Example 6
Manganese sulfate and sulfuric acid were dissolved in pure water to obtain a sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 20 g / L and a sulfuric acid concentration of 490 g / L (5 mol / L). Under stirring at a temperature of 96 ° C., a 0.1 mol / L potassium permanganate (KMnO 6 ) aqueous solution was added to the obtained mixture to obtain a precipitate. The precipitate was filtered and dried to obtain chemical manganese dioxide.
当該化学二酸化マンガンのγ(110)/α(110)=0.94であった。しかしながら、嵩密度は0.4g/cm3と充填性が低いものであった。メソ細孔の細孔面積は0.9m2/gと小さいものであった。また、得られた化学二酸化マンガンは1μm以下の微細な粒子が凝集した形状をしていた。得られた化学二酸化マンガンの物性評価結果を表2に、走査型電子顕微鏡写真を図6に示した。 It was γ (110) / α (110) = 0.94 of the chemical manganese dioxide. However, the bulk density was 0.4 g / cm 3 and the filling property was low. The pore area of the mesopores was as small as 0.9 m 2 / g. The obtained chemical manganese dioxide had a shape in which fine particles of 1 μm or less were aggregated. The physical property evaluation results of the obtained chemical manganese dioxide are shown in Table 2, and a scanning electron micrograph is shown in FIG.
実施例5
硫酸マンガンと硫酸アンモニウムを水に溶解し、マンガンイオン濃度27.3g/L、アンモニウムイオン濃度36g/Lのアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を得た。
Example 5
Manganese sulfate and ammonium sulfate were dissolved in water to obtain an ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 27.3 g / L and an ammonium ion concentration of 36 g / L.
得られたアンモニウムイオン含有硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解液とし、当該電解液中のアンモニウムイオン濃度が36g/Lで一定になるように硫酸アンモニウム含有硫酸マンガン溶液を連続的に添加しながら電解を行い、電着物を得た。電解電流密度を0.88A/dm2、電解温度を96℃、及び電解時間を24時間とした。 The obtained ammonium ion-containing sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution was used as an electrolytic solution, and electrolysis was performed while continuously adding the ammonium sulfate-containing manganese sulfate solution so that the ammonium ion concentration in the electrolytic solution was constant at 36 g / L. An electrodeposit was obtained. The electrolysis current density was 0.88 A / dm 2 , the electrolysis temperature was 96 ° C., and the electrolysis time was 24 hours.
電解液中のアンモニウムイオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比はNH4 +/Mn2+=4.03、及び、電解終了時の電解電圧は1.81Vであった。 The molar ratio between the ammonium ion concentration and the manganese ion concentration in the electrolytic solution was NH 4 + / Mn 2+ = 4.03, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 1.81V.
得られた電着物を電極から剥離後、平均粒子径40μmとなるように粉砕した後、この粉砕物を3mol/Lの硫酸中に浸漬し、62℃の加温下で4.0時間撹拌して、親水化処理した。その後、水洗して、平均粒子径40μmの電解二酸化マンガンを得た。得られた電解二酸化マンガンは、α相及びγ相を含み、なおかつ、α相が主結晶相であった。 The obtained electrodeposit was peeled from the electrode and pulverized so as to have an average particle diameter of 40 μm. The pulverized product was then immersed in 3 mol / L sulfuric acid and stirred for 4.0 hours while heating at 62 ° C. And hydrophilized. Then, it washed with water and obtained the electrolytic manganese dioxide with an average particle diameter of 40 micrometers. The obtained electrolytic manganese dioxide contained an α phase and a γ phase, and the α phase was the main crystal phase.
電解条件と親水化処理条件を表3に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表4にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions and hydrophilization treatment conditions are shown in Table 3, and the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 4, respectively.
比較例7
硫酸マンガンと硫酸を水に溶解し、マンガンイオン濃度27.5g/Lの硫酸−硫酸マンガン混合溶液を得た。なお、当該混合溶液は、アンモニウムイオン及びカリウムイオンのいずれも含有していない。
Comparative Example 7
Manganese sulfate and sulfuric acid were dissolved in water to obtain a sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution having a manganese ion concentration of 27.5 g / L. The mixed solution contains neither ammonium ions nor potassium ions.
得られた硫酸−硫酸マンガン混合溶液を電解液として使用したこと、及び、電解液中のマンガンイオン濃度が27.5g/Lで一定になるように硫酸マンガン溶液を連続的に添加したこと以外は実施例5と同様な条件で二酸化マンガンの電着物を得た。 Except that the obtained sulfuric acid-manganese sulfate mixed solution was used as an electrolytic solution, and the manganese sulfate solution was continuously added so that the manganese ion concentration in the electrolytic solution was constant at 27.5 g / L. Manganese dioxide electrodeposits were obtained under the same conditions as in Example 5.
電解液中のカチオン濃度とマンガンイオン濃度とのモル比は0、及び、電解終了時の電解電圧は2.05Vであった。 The molar ratio of the cation concentration to the manganese ion concentration in the electrolytic solution was 0, and the electrolysis voltage at the end of electrolysis was 2.05V.
得られた電着物を電極から剥離後、平均粒子径40μmとなるように粉砕した後、この粉砕物を3mol/Lの硫酸中に浸漬し、58℃の加温下で4.2時間撹拌して、親水化処理した。その後、水洗し、中和して、平均粒子径40μmの電解二酸化マンガンを得た。得られた電解二酸化マンガンは、γ相を主結晶相とするものであった。 The obtained electrodeposit was peeled from the electrode and pulverized so as to have an average particle diameter of 40 μm, and the pulverized product was immersed in 3 mol / L sulfuric acid and stirred for 4.2 hours while heating at 58 ° C. And hydrophilized. Then, it washed with water and neutralized and obtained the electrolytic manganese dioxide with an average particle diameter of 40 micrometers. The obtained electrolytic manganese dioxide had a γ phase as a main crystal phase.
電解条件と親水化処理条件を表3に、電解二酸化マンガンの物性評価結果を表4にそれぞれ示した。 The electrolytic conditions and hydrophilization treatment conditions are shown in Table 3, and the physical property evaluation results of electrolytic manganese dioxide are shown in Table 4, respectively.
以上から、実施例の二酸化マンガンは、嵩密度が1.3g/cm3以上、さらには1.7g/cm3以上と高い充填性を有し、なおかつ、γ(110)/α(110)が2以下であった。さらには、その結晶構造はα相及びγ相からなり、なおかつ、α相を多く含む二酸化マンガンであることが分かった。また、これらの二酸化マンガンのFWHMは、1.64°(実施例1)、1.67°(実施例2)、1.17°(実施例3)、1.44°(実施例4)及び1.18°(実施例5)など、1°以上1.7°以下と、適度に高い結晶性を有するα相を有する二酸化マンガンであることが分かった。さらに、親水化処理を行うと、水分量が2.7重量%以上となることが分かった。 From the above, the manganese dioxide of the examples has a high filling property with a bulk density of 1.3 g / cm 3 or more, and further 1.7 g / cm 3 or more, and γ (110) / α (110) is high. 2 or less. Furthermore, it has been found that the crystal structure is manganese dioxide containing an α phase and a γ phase and containing a large amount of the α phase. Also, the FWHM of these manganese dioxides is 1.64 ° (Example 1), 1.67 ° (Example 2), 1.17 ° (Example 3), 1.44 ° (Example 4) and It was found to be manganese dioxide having an α phase having moderately high crystallinity, such as 1.18 ° (Example 5) and 1 ° to 1.7 °. Furthermore, it was found that when the hydrophilization treatment was performed, the water content became 2.7% by weight or more.
また、電解電流密度が1.0A/dm3と高い場合、γ(110)/α(110)が2.7以上であり、さらには、その結晶構造はγ相が主結晶相であり、α相の含有率は著しく低かった。本発明の二酸化マンガンよりもα相の含有量が著しく低くなることが分かった。 When the electrolysis current density is as high as 1.0 A / dm 3 , γ (110) / α (110) is 2.7 or more, and the crystal structure of the γ phase is the main crystal phase, and α The phase content was very low. It has been found that the content of the α phase is significantly lower than that of the manganese dioxide of the present invention.
本発明の二酸化マンガンは、例えば、リチウム一次電池やアルカリ電池などの一次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極活物質、並びに、マグネシウムイオン電池やカルシウムイオン電池など多価カチオン二次電池などの二次電池用正極活物質、レッドックスキャパシタや電気二重層キャパシタ又はスーパーキャパシタなどのキャパシタ電極活物質、金属空気二次電池用の酸素還元触媒などの各種の電気化学活物質とすることができる。 The manganese dioxide of the present invention includes, for example, a positive electrode active material for a primary battery such as a lithium primary battery and an alkaline battery, a positive electrode active material for a lithium secondary battery, and a multivalent cation secondary battery such as a magnesium ion battery and a calcium ion battery. The positive electrode active material for secondary batteries, capacitor electrode active materials such as Redox capacitors, electric double layer capacitors or supercapacitors, and various electrochemical active materials such as oxygen reduction catalysts for metal-air secondary batteries .
1:二酸化マンガン(粒子)
2:二酸化マンガン中の細孔(細孔直径200nm以上)
3:二酸化マンガン中の細孔(細孔直径200nm未満)
4:水銀(Hg)
1: Manganese dioxide (particles)
2: Pore in manganese dioxide (pore diameter 200 nm or more)
3: Pore in manganese dioxide (pore diameter less than 200 nm)
4: Mercury (Hg)
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