JP3032597B2 - リチウム二次電池用正極材料 - Google Patents

リチウム二次電池用正極材料

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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リチウムまたはリチウ
ム合金を負極材料とするリチウム電池に用いられる二次
電池用正極材料に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウム電池の正極材料として、従来よ
り種々の硫化物、二酸化マンガン、五酸化バナジウムな
どの酸化物が知られている。さらに、五酸化バナジウム
の一部をモリブデン、タングステンで置換するととも
に、リチウムを部分的に導入した複合酸化物(特開昭6
3−285871号公報参照)や、リチウム−バナジウ
ムブロンズなども提案されいてる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、二酸化
マンガン、五酸化バナジウムをリチウム二次電池の正極
材料として用いた場合、初期放電容量はいずれも200
Ahr/kg以上であり、これらは優れた二次電池用正極
材料といえるが、充放電を繰り返すと次第に放電容量が
減少し、ついには動作しなくなってしまうという欠点が
あった。また、上記の五酸化バナジウムの一部を置換し
た複合酸化物や、リチウム−バナジウムブロンズも、リ
チウム二次電池の正極材料として満足できるものとはい
えない。本発明は、このような従来技術の課題を背景に
なされたもので、充放電サイクルに対して安定して放電
容量を維持できるリチウム二次電池用正極材料を提供す
ることを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、下記一般式
(I) Lix y MnO2 ・・・・・・・・・(I) (式中、AはRbあるいはCsであり、0.1≦x≦
0.8、かつ0.1≦y≦0.3である)で表される複
合酸化物からなることを特徴とするリチウム二次電池用
正極材料を提供するものである。上記リチウム二次電池
用正極材料は、リチウム水酸化物、ルビジウム水酸化物
もしくはセシウム水酸化物および二酸化マンガンの混合
物を、350〜450℃で焼結させて得られるものが好
ましいまた、上記リチウム二次電池用正極材料は、平
均粒径が5μm以下であることが好ましいさらに、上
記リチウム二次電池用正極材料は、導電剤および/また
は結着剤を含む上記リチウム二次電池用正極材料であっ
て、導電剤の配合量は上記正極材料100重量部に対し
5〜50重量部、結着剤の配合量は上記正極材料100
重量部に対して5〜10重量部であることが好ましい。
【0005】本発明の一般式(I)で表される複合酸化
物において、xが0.1未満、あるいはyが0.1未満
では、リチウム二次電池の正極材料としたときにサイク
ル安定性の効果が少なく、一方xが0.8を超えたり、
yが0.3を超えると、初期容量が著しく低下してしま
う。
【0006】本発明の一般式(I)で表される複合酸化
物を得るための製造方法の一例を以下に示す。すなわ
ち、所定量のモル比となるように、リチウム水酸化物、
ルビジウム水酸化物もしくはセシウム水酸化物および二
酸化マンガンを混合し、エタノールなどの非極性溶媒を
加えてボールミルで混合する。これを乾燥後、電気炉で
350〜450℃で2〜6時間程度焼結させる。この焼
結の際、焼結温度が350℃未満ではルビジウム、セシ
ウムあるいはリチウムの拡散が行われず、一方450℃
を超えると結晶子の大きさが成長しすぎてしまい、大き
な結晶となるのでサイクル安定性が悪くなり、いずれも
好ましくない。
【0007】このような本発明の複合酸化物が正極材料
として、サイクル安定性に優れている理由は未だに明ら
かではないが、ルビジウムあるいはセシウムが、二酸化
マンガン中に固溶することにより、スピネル構造に変化
し、リチウムの拡散がスムーズに行われているためと考
えられる。
【0008】この正極材料を用いて正極を作製する場
合、正極材料の粒径は必ずしも制限されないが、平均粒
径が5μm以下のものを用いることにより高性能の正極
を作ることができる。この場合、これらの粉末に対し、
アセチレンブラックなどの導電剤やフッ素樹脂粉末など
の結着剤などを添加混合し、有機溶剤で混錬りし、ロー
ルで圧延し、乾燥するなどの方法により正極を作製する
ことができる。なお、導電剤の混合量は、正極材料10
0重量部に対し5〜50重量部、特に7〜10重量部と
することができ、本発明にあってはその正極材料の導電
性が良好であるため、導電剤使用量を少なくすることが
できる。また、結着剤の配合量は前記正極材料100重
量部に対して5〜10重量部とすることが好ましい。
【0009】なお、本発明の正極材料を用いた電池に使
用する非水系の電解質としては、正極材料および負極材
料に対して化学的に安定であり、かつリチウムイオンが
正極活物質と電気化学反応をするために移動できる非水
物質であればどのようなものでも使用でき、特にカチオ
ンとアニオンとの組み合わせによりなる化合物であっ
て、カチオンとしてはLi+ 、またアニオンの例として
はPF6 - 、AsF6 - 、SbF6 - のようなVa族元
素のハロゲン族元素のハロゲン化物アニオン、I- (I
3 - )、Br -、Cl- のようなハロゲンアニオン、C
lO4 - のような過塩素酸アニオン、HF2 - 、CF3
SO 3 - 、SCN -などのアニオンを有する化合物など
を挙げることができるが、必ずしもこれらのアニオンに
限定されるものではない。このようなカチオン、アニオ
ンをもつ電解質の具体例としては、LiPF6 、LiA
sF6 、LiSbF6 、LiBF4 、LiClO4 、L
iI、LiBr、LiCl、LiAlCl4 、LiHF
2 、LiSCN、LiSO3 CF3 などが挙げられる。
これらのうちでは、特にLiPF6 、LiAsF6 、L
iBF4 、LiClO4 、LiSbF6 、LiSO3
3 が好ましい。
【0010】なお、この非水電解質は、通常、溶媒によ
り溶解された状態で使用され、この場合、溶媒は特に限
定されないが、比較的極性の大きい溶媒が良好に用いら
れる。具体的には、プロピレンカーボネート、エチレン
カーボネート、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラ
ヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサン、ジメトキシ
エタン、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどの
グライム類、r−ブチロラクタンなどのラクトン類、ト
リエチルホスフェートなどのリン酸エステル類、ホウ酸
トリエチルなどのホウ酸エステル類、スルホラン、ジメ
チルスルホキシドなどの硫黄化合物、アセトニトリルな
どのニトリル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセ
トアミドなどのアミド類、硫酸ジメチル、ニトロメタ
ン、ニトロベンゼン、ジクロロエタンなどの1種または
2種以上の混合物を挙げることができる。これらのうち
では、特にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネ
ート、ブチレンカーボネート、テトラヒドロフラン、2
−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、ジオ
キソランおよびγ−ブチロラクトンから選ばれた1種ま
たは2種以上の混合溶媒が好適である。
【0011】さらに、この非水電解質としては、上記非
水電解質を例えばポリエチレンオキサイド、ポリプロピ
レンオキサイド、ポリエチレンオキサイドのイソシアネ
ート架橋体、エチレンオキサイドオリゴマーを側鎖に持
つホスファゼンポリマーなどの重合体に含浸させた有機
固体電解質、Li3 N、LiBCl4 などの無機イオン
誘導体、Li4 SiO4 、Li3 BO3 などのリチウム
ガラスなどの無機固体電解質を用いることもできる。
【0012】本発明の正極材料を使用したリチウム二次
電池を図面を参照してさらに詳細に説明する。すなわ
ち、本発明の正極材料を使用したリチウム二次電池は、
図1に示すように開口部10aが負極蓋板20で密封さ
れたボタン形の正極ケース10内を微細孔を有するセパ
レータ30で区画し、区画された正極側空間内に正極集
電体40を正極ケース10側に配置した正極50が収納
される一方、負極側空間内に負極集電体60を負極蓋板
20側に配置した負極70が収納されたものである。
【0013】前記負極70に使用される負極材料として
は、例えばリチウムまたはリチウムを吸蔵、放出可能な
リチウム合金が用いられる。この場合、リチウム合金と
しては、リチウムを含むIIa、IIb、III a、IVa、V
a族の金属またはその2種以上の合金が使用可能である
が、特にリチウムを含むAl、In、Sn、Pb、B
i、Cd、Znまたはこれらの2種以上の合金が好まし
い。前記セパレータ30としては、多孔質で電解液を通
したり含んだりすることのできる、例えばポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリプロピレンやポリエチレンなどの
合成樹脂製の不織布、織布および編布などを使用するこ
とができる。なお、符号80は、正極ケース10の内周
面に周設されて負極蓋板20を絶縁支持するポリエチレ
ン製の絶縁パッキンである。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、本発明
は必ずしもこの実施例に限定されない。 実施例1 モル比でLiOH・H2 O:RbOH・H2 O:MnO
2 =0.5:0.3:1になるように、それぞれの化合
物を秤量し、これらの混合粉末に25重量%のエタノー
ルを加えてボールミルで2時間混合し、そののちこれを
乾燥し、電気炉で400℃で6時間の熱処理を行い、正
極材料の粉末を得た。
【0015】この粉末を80重量%、導電剤としてアセ
チレンブラック10重量%、および接着剤としてフッ素
樹脂粉末10重量%を混合したのち、有機溶剤であるエ
タノールで混練りし、圧延ロールで約200μmに圧延
し、150℃で真空乾燥してから直径20mmの円板状に
打ち抜いたものを正極とした。負極は、所定寸法に打ち
抜いたアルミニウム板にリチウムを圧着し、電解液中で
アルミニウム−リチウム合金化したものを用い、またプ
ロピレンカーボネートとジエチレングリコールジメチル
エーテルの溶媒にLiClO4 を1モル/lで溶解した
ものを電解液として使用し、図1に示す電池を組み立て
た。この電池について、サイクル安定性を調べた、結果
を図2に示す。
【0016】実施例2 RbOH・H2 OをCsOH・H2 Oとした以外は、す
べて実施例1と同様にして正極材料を得た。この正極材
料を用いて実施例1と同様にして電池を組立ててサイク
ル安定性を調べた。結果を図2に示す。
【0017】比較例1 V2 5 粉末を用い、実施例1と同様にして電池を作製
し、同様にサイクル安定性を測定した。結果を図2に示
す。図2から明らかなように、本発明の正極材料を用い
たリチウム二次電池は、サイクル安定性が優れていた。
【0018】
【発明の効果】本発明の正極材料を用いれば、充放電サ
イクルに対して安定して容量を維持できるリチウム二次
電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリチウム二次電池用正極材料を使用し
たリチウム二次電池の一部断面図を含む正面図である。
【図2】リチウム二次電池のサイクル安定性を示すグラ
フである。
【符号の説明】
30 セパレータ 50 正極 70 負極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮下 公一 埼玉県和光市中央一丁目4番1号 株式 会社 本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 平3−225760(JP,A) 小槻他、「アルファ二酸化マンガンの リチウム非水溶媒電池中での還元挙 動」、第30回電池討論会講演要旨集、第 225〜226頁、平成元年9月27日発行 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/02 - 4/04 H01M 4/58 H01M 10/40

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記一般式(I) Lix y MnO2 ・・・・・・・・・(I) (式中、AはRbあるいはCsであり、0.1≦x≦
    0.8、かつ0.1≦y≦0.3である)で表される複
    合酸化物からなることを特徴とするリチウム二次電池用
    正極材料。
  2. 【請求項2】 リチウム水酸化物、ルビジウム水酸化物
    もしくはセシウム水酸化物および二酸化マンガンの混合
    物を、350〜450℃で焼結させて得られる請求項1
    記載のリチウム二次電池用正極材料。
  3. 【請求項3】 平均粒径が5μm以下である請求項1ま
    たは2記載のリチウム二次電池用正極材料。
  4. 【請求項4】 導電剤および/または結着剤を含むリチ
    ウム二次電池用正極材料であって、導電剤の配合量は、
    上記正極材料100重量部に対し5〜50重量部、結着
    剤の配合量は上記正極材料100重量部に対して5〜1
    0重量部である請求項1〜3いずれか1項記載のリチウ
    ム二次電池用正極材料。
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小槻他、「アルファ二酸化マンガンのリチウム非水溶媒電池中での還元挙動」、第30回電池討論会講演要旨集、第225〜226頁、平成元年9月27日発行

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