JP3021229B2 - 結晶性スピネル構造のLiMn2 O4 の製法およびそれを活物質とする二次電池用正極 - Google Patents
結晶性スピネル構造のLiMn2 O4 の製法およびそれを活物質とする二次電池用正極Info
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Description
リチウムカーボン(リチウム−グラファイト)インター
カレーション化合物を負極活物質とするリチウム二次電
池において、正極活物質として使用するスピネル構造の
LiMn2O4に関する。
ム二次電池用正極活物質としてはLiNiO2 の他、L
iCoO2 、LiMn2 O4 が使用可能である。LiC
oO2 を正極活物質とする電池は既に市販されている。
しかしコバルトは資源量が少なくかつ高価であるため、
電池の普及に伴う大量生産には向かない。資源量や価格
の面から考えるとマンガン化合物が有望な正極材料であ
る。原料として使用可能な二酸化マンガンは現在乾電池
材料として大量に生産されている。従来、結晶性のスピ
ネル型LiMn2 O4 は炭酸リチウムとMn2 O3 の反
応(Hunter;J.Solid State Ch
em.,39,142(1981)や炭酸リチウムと炭
酸マンガンとの反応(Thackerayら,Mat.
Res.Bull.,19,179(1984)など)
で合成されていた。炭酸リチウムとMn2 O3 を900
℃、24時間焼成して得られるスピネルLiMn2 O4
の比表面積は0.1m2 /g以下である(参考例1)。
この試料は図1に示すように0.01Cの低放電速度で
も80mAH/gの容量しかない。またサイクルととも
に容量が低下する欠点がある。放電速度を0.3Cとす
ると容量は30mAH/gまで低下する。この試料を粉
砕し比表面積を0.4m2 /gあるいは1.3m2 /g
とした試料を0.01Cで充電し、種々の放電速度で放
電した場合の放電容量を表1に示す。 この結果より高い電流密度での放電では比表面積が放電
容量を決定する重要な因子であることがわかる。しか
し、低温焼成で生成する比表面積の大きい非晶質歪スピ
ネル構造のLiMn2 O4 は4V級電池としては放電容
量が小さく、かつサイクル特性も悪い。このため4V級
電池の正極活物質には結晶性のスピネル構造のLiMn
2 O4 を用いる必要がある。大電流を取り出せるリチウ
ム二次電池用LiMn2 O4 の具現すべき性質は結晶性
のスピネル構造で、かつ比表面積が大きいことである。
前述したようにLiMn2 O4 の比表面積は機械的な粉
砕により粒子を微細化することによっても大きくするこ
とが可能であるが、製造プロセスが増えコストが高くな
ることおよび電極作製にあたって多量の導電剤および結
着剤が必要となり体積当たりの放電容量が低下するため
機械的粉砕は解決手段とはならない。前述した700−
900℃で一段階加熱処理を行う従来のプロセスでは、
炭酸マンガンを用いた場合は中間生成物としてMn2 O
3 を生成する。2つの方法ともMn2 O3 と炭酸リチウ
ムが反応してスピネル構造のLiMn2O4 が生成す
る。図2に示すようにMn2 O3 は650℃の低温での
熱処理でも焼結反応が進行し、24時間の熱処理で比表
面積は原料Mn2 O3 の1/10以下に低下する。従っ
て従来の方法では反応中間体のMn2 O3 とLi2 CO
3 が反応しLiMn2 O4 を生成する前にMn2 O3 の
焼結が進行し、比表面積が低下する。比表面積が小さく
なると高電流密度での放電容量が低下するのみならずサ
イクル特性も劣化する欠点がある。
技術の課題に鑑みなされたもので、リチウム二次電池正
極活物質に比表面積の大きな結晶性スピネル構造のLi
Mn2O4を用いることにより高い放電速度での放電容
量を向上させることとサイクル特性を向上させることを
を目的とする。
O3を経由してLiMn2O4を製造する方法では、L
iMn2O4が生成する前に反応中間体であるMn2O
3の焼結が進行し、比表面積の小さいLiMn2O4が
生成する。二酸化マンガンを550℃以上に加熱すると
Mn2O3が生成するので550℃未満で二酸化マンガ
ンとリチウム塩を反応させ非晶質歪スピネル構造のLi
Mn2O4を製造する。650−750℃での再度の加
熱処理により非晶質歪スピネル構造のLiMn2O4か
ら結晶性のスピネル構造のLiMn2O4に変化する。
この構造変化は比表面積の低下を伴うが、結晶性スピネ
ル構造のLiMn2O4が一旦生成すると図2に示した
ように750℃以下ではこの物質の焼結反応は遅い。そ
れ故700℃での熱処理により比表面積の低下を抑制す
ることができる。リチウム塩には固液反応で反応が進行
する硝酸リチウムが適切である。分解温度が高い炭酸リ
チウムでは非晶質スピネルの生成速度が遅く不適切であ
る。
に示すように1Cの放電速度で130mAH/g以上の
放電容量を有し、表2に示すようにサイクル特性もすぐ
れ、大電流を必要とする機器に使用するリチウム二次電
池用正極活物質として有用である。
dema社 FaradizerM,国際共通サンプル
No.12)8.69gと硝酸リチウム3.438gを
粉砕混合し、アルミナルツボに入れる。400℃で48
時間空気雰囲気下で予備焼成し、非晶質の歪スピネル構
造のLiMn2 O4 を得た。これを再び700℃で12
0時間焼成し、結晶性スピネル構造のLiMn2 O4 と
する。この両者のX線回折図(CuKα線使用)を図3
に示す。両者ともスピネルのLiMn 2 O 4 に特徴的な
下記のピーク(2θ) 18.6 ─ 18.8度 36.1 ─ 36.5度 44.0 ─ 44.4度 を有するが、400℃の焼成段階ではピーク強度が弱
く、線巾も広く、結晶化が十分進行せず、結晶化が進ん
でいないことを示している。 これに対し、700℃、
120時間焼成して得たスピネルLiMn2 O4 はピー
ク強度も強く、線巾もシャープで結晶性が高いことを示
している。この比表面積は3.2m 2 /gであった。こ
れに導電性バインダー(20Wt%)を加えた合剤を正
極とし、金属リチウムを負極として電池(電解液にLi
AsF 6 を溶解したエチレンカーボネート−プロピレン
カーボネートの混合液使用)を組み、0.2Cの速度
(5時間)で充電した後、種々の速度(0.2−5C)
で放電した場合の放電曲線を図4に示した。充放電電圧
範囲は4.5−3.0Vとした。図4に示すように1C
の高い放電速度でも容量は130mAH/g以上と大き
く、分極も100mV以下と非水電池としては小さい。
t社 Knapsack) 8.69gと硝酸リチウム
3.438gを粉砕混合し、アルミナルツボに入れる。
400℃、48時間空気雰囲気下で焼成した後、再び7
00℃で120時間焼成し、LiMn2O4を得た。こ
の試料のBET表面積は1.2m2/gであり、化学合
成二酸化マンガンを原料とした場合の40%以下であ
る。比表面積の大きな化学合成二酸化マンガンを原料と
する方が比表面積の小さな電解合成二酸化マンガンを原
料とするよりも大きな比表面積を有するLiMn2O4
が得られる。電解二酸化マンガンでも比表面積の大きい
ものを用いると得られるLiMn2O4の比表面積は大
きくなり、比表面積の大きい化学合成二酸化マンガンを
用いた場合と同様優れた充放電性能を示す。
Faradizer M,国際共通サンプルNo.1
2)8.69gと水酸化リチウム(LiOH・H2O)
2.098gを粉砕混合し、アルミナルツボに入れる。
400℃、48時間空気雰囲気下で焼成した後、再び7
00℃で120時間焼成する。得られたLiMn2O4
の比表面積は2.2m2/gであった。0.3Cでの充
放電テストの結果(表2)、容量はLiNO3より合成
したものより3%程度劣るもののサイクル特性では顕著
な違いは見られない。
リチウム(Li2 CO3 )1.848gとを粉砕混合
し、アルミナルツボに入れる。これを空気中900℃で
24時間焼成した。得られたLiMn2 O4 は比表面積
0.1m2 /g以下であった。これをボールミルで24
時間粉砕したものの比表面積は0.4m 2 /g、さらに
24時間粉砕したものの比表面積は1.3m 2 /gであ
った。これらの試料に活物質の2倍重量の導電性バイン
ダーを用いて正極合剤を調製し、実施例1と同様にして
電池を組んで充放電テストを行った。結果を表1に示し
た。粉砕による放電容量の向上効果はある程度認められ
るが不十分であり、また放電速度を上げると容量低下が
著しいことがわかる。
下)を正極活物質とした電池の放電速度と放電容量の関
係を示す図。
表面積の関係を示す図。
ピネルLiMn2 O4のX線回折図。
極活物質とした電池の種々の放電速度での放電曲線を示
す図。
Claims (2)
- 【請求項1】硝酸リチウムまたは水酸化リチウムと電解
もしくは化学合成二酸化マンガンとを550℃未満の温
度で加熱処理して非晶質歪スピネル構造のLiMn2 O
4 を合成後、600−750℃の温度で少なくとも12
0時間再度加熱処理することを特徴とする結晶性スピネ
ル構造のLiMn2 O4 の製法。 - 【請求項2】請求項1の製法により得られた結晶性スピ
ネル構造物を活物質として用いたリチウム二次電池用正
極。
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JP5100025A JP3021229B2 (ja) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | 結晶性スピネル構造のLiMn2 O4 の製法およびそれを活物質とする二次電池用正極 |
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- 1993-03-18 JP JP5100025A patent/JP3021229B2/ja not_active Expired - Fee Related
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