JP3065630B2 - リチウム二次電池用陽極活物質及びその製造方法並びにリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用陽極活物質及びその製造方法並びにリチウム二次電池

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明はリチウム又はリチウム合金を負極活物質とす
るリチウム二次電池用の陽極活物質及びその製造方法並
びにそれを用いたリチウム二次電池に関する。
<従来の技術> リチウム又はリチウム合金を陰極活物質とするリチウ
ム一次電池の陽極活物質としては、二酸化マンガン,フ
ッ化炭素等が代表的なものとして知られており、これら
は既に実用化されている。そして、これらの陽極活物質
の中では、特に二酸化マンガンが保存性に優れ、且つ安
価であるという利点を有する。
かかる二酸化マンガンとしては一般には電解や化学合
成により得られた二酸化マンガンを用いる。このような
陽極活物質としての二酸化マンガンは、通常は、例えば
400℃で乾燥した後リチウム一次電池に用いられるが、
最終的な過酸化度(MnOxのxに相当する)が1.92〜1.94
程度のものである。
<発明が解決しようとする課題> ところで、近年、リチウム又はリチウム合金を負極活
物質とするリチウム二次電池の開発が進められている。
そして、かかるリチウム二次電池の陽極活物質として前
述した二酸化マンガンを用いると、充放電サイクルの再
現性が悪く、充分な特性を有する二次電池が得られない
という問題がある。
また、二酸化マンガンにLi2MnO3あるいはリチウムイ
オンを添加した陽極活物質が提案されている(特開昭63
−114064号公報、特開昭63−148550号公報参照)が、ま
だ十分な特性を得られるものではなかった。
本発明はこのような事情に鑑み、充放電サイクルの再
現性が良好なリチウム二次電池を得ることができるリチ
ウム二次電池用陽極活物質及びその製造方法並びにそれ
に用いたリチウム二次電池を提供することを目的とす
る。
<課題を解決するための手段> 前記目的を達成する本発明に係るリチウム二次電池用
陽極活物質は、リチウムを0.1〜10重量%含有し、熱処
理により単一相とした過酸化度が1.50〜1.90の二酸化マ
ンガンからなることを特徴とする。
そして、本発明に係るリチウム二次電池用陽極活物質
の製造方法は、二酸化マンガンをヒドラジン化合物で還
元した後、リチウム塩水溶液に浸漬し、その後、熱処理
することを特徴とし、また、二酸化マンガンをヒドラジ
ン化合物で還元した後、リチウム塩と混合し、その後、
熱処理することを特徴とする。
さらに、本発明に係るリチウム二次電池は、リチウム
を0.1〜10重量%含有し、熱処理により単一相とした過
酸化度が1.50〜1.90の二酸化マンガンを陽極活物質に用
いたことを特徴とする。
本発明でいうリチウム二次電池用陽極活物質とはリチ
ウム二次電池に用いるための素材をいい、勿論そのまま
用いてもよいが、通常の二酸化マンガンなどと同様に例
えば400℃程度で乾燥した後、リチウム二次電池に用い
るのがよい。
本発明のリチウム二次電池用陽極活物質は、リチウム
を一定量含むと共に過酸化度が1.50〜1.90の範囲のもの
である。すなわち、通常の二酸化マンガンの過酸化度が
1.92以上であるので、還元処理を行ったものである。但
し、かかる過酸化度は一度1.50〜1.90の範囲まで還元し
たことが重要であり、例えばその後の乾燥工程などによ
り例えば1.90以上に上昇しても差支えない。また、本願
発明の原料となる二酸化マンガンは、電解あるいは化学
合成により得られたものの他、天然のものでもよく、又
はこれらのものを熱処理して乾燥したもの、あるいは特
性向上のためにリン等を添加したものなどである。
ここで、過酸化度を1.50未満にすると放電容量の減少
がみられ、また、1.90を超えている場合には二酸化マン
ガン中に残存するリチウム量がサイクルを繰り返す毎に
多くなり、放電特性が損われ、共に好ましくない。
また、本発明のリチウム二次電池用陽極活物質は、リ
チウムが0.1〜10重量%含有されていることが必須とな
る。
ここで、リチウム含有量が0.1重量%未満ではリチウ
ム二次電池の放電特性に対する含有効果が小さく、ま
た、10重量%を超えるとリチウム二次電池の放電性能が
向上せず、逆に二酸化マンガンが有する放電特性が損な
われることになり、共に好ましくない。
このような本発明のリチウム二次電池用陽極活物質
は、上述したように必要に応じて通常の乾燥処理を施し
た後、リチウム二次電池の陽極活物質として用いると、
充放電サイクルの再現性が良好になるという効果を奏す
る。
次に、かかるリチウム二次電池用陽極活物質の好適な
製造方法について説明する。
まず、通常の二酸化マンガンを還元処理して過酸化度
1.50〜1.90とすればよいが、還元処理には例えばヒドラ
ジン化合物を用いるのが好適である。
すなわち、二酸化マンガンをヒドラジン化合物の水溶
液中で処理すればよい。ヒドラジン化合物としては、抱
水ヒドラジン,硫酸ヒドラジン,塩酸ヒドラジン等を挙
げることができ、その濃度は一般に0.05〜0.5mol/と
すればよい。また、処理時間は1〜10時間が適当であ
り、温度条件は20〜80℃が望ましい。
このようにして得た低過酸化度の二酸化マンガンを水
酸化リチウムや硝酸リチウム等のリチウム塩の水溶液を
用いて中和処理した後、加熱処理することにより、本発
明に係るリチウム二次電池用陽極活物質を得ることがで
きる(実施例の製造例Iに対応)。
この際のリチウム塩水溶液の濃度は、0.1〜7mol/が
望ましい。また、この中和処理の時間は1〜10時間が適
当であり、温度条件は20〜80℃が望ましい。
このように中和処理された二酸化マンガンを、濾過,
乾燥後、加熱処理することにより、本発明の陽極活物質
とする。なお、この際の加熱処理温度は300〜450℃が好
ましく、処理時間は3〜4時間が望ましい。
また、上述したように低過酸化度とした二酸化マンガ
ンを中和処理する場合、リチウム塩をそのまま用いても
よい(実施例の製造方法IIに対応)。すなわち、低過酸
化度の二酸化マンガンと水酸化リチウムや硝酸リチウム
等のリチウム塩とを充分混合した後、加熱処理を行う。
この加熱処理は300〜800℃で行うのが好ましく、また、
加熱処理時間は3〜24時間が望ましい。
以上説明したように、低過酸化度の二酸化マンガンに
リチウム含有処理を行うと、ヒドラジン化合物で還元さ
れたためか、低過酸化度の二酸化マンガンの結晶内の酸
素が水酸基で置換されており、リチウムイオンがプロト
ンと交換して内部へ拡散し易いと考えられる。かかる作
用により、通常の過酸化度を有する二酸化マンガンにリ
チウム含有処理を施した場合と比較して顕著な効果を示
すと考えられる。すなわち、上記作用により熱処理した
際の組成が均一になり易く、リチウム二次電池したとき
の充放電の際に、リチウムをドープ及び脱ドープし易い
と考えられる。
また、このように二酸化マンガンを一度1.50〜1.90の
低過酸化度としておくことにより、リチウム二次電池と
した際の充電時に二酸化マンガンに残存するリチウムが
少なくなり、放電容量が増大すると考えられる。
なお、本発明に係るリチウム二次電池用陽極活物質
は、勿論上述した製造方法により製造されるものに限定
されるものではないことは言うまでもない。
<実 施 例> 以下、本発明を実施例及び比較例に基づき説明する。
(実施例1) 加温装置を設けた内容積2の処理槽中に0.03mol/
の抱水ヒドラジン水溶液を満たし、この中へ通常の電解
二酸化マンガン100gを投入し、反応温度50℃で20分間反
応させた。その後、常法により濾過・乾燥処理を施した
(還元処理)。
次に、加温装置を設けた内容積2の処理槽中に1mol
/の水酸化リチウムを満たし、この中に上述したよう
に得た低過酸化度の二酸化マンガン100gを投入し、撹拌
しながら反応温度70℃で2時間反応させた。次いで、常
法に従って濾過,乾燥処理を施した後、400℃で3時間
加熱処理を行い、本実施例に係る陽極活物質とした(リ
チウム含有処理)。かかる陽極活物質中のリチウムの含
有量と過酸化度を第1表に示した。
(実施例2〜3) 実施例1の還元処理における抱水ヒドラジン濃度0.03
mol/を0.04mol/(実施例2),0.13mol/(実施例
3),0.2mol/(実施例4),0.5mol/(実施例5)に
変えた以外は実施例1と同様の操作を行い、実施例2〜
5に係る陽極活物質を得た。これらのリチウム含有量及
び過酸化度を第1表に示した。
(実施例6〜10) 実施例3のリチウム含有処理における水酸化リチウム
1mol/を、水酸化リチウム0.1mol/(実施例6),水
酸化リチウム3mol/(実施例7),水酸化リチウム2mo
l/l及び硝酸リチウム5mol/l(実施例8),硝酸リチウ
ム2mol/(実施例9),硝酸リチウム1mol/及び水酸
化リチウム0.5mol/(実施例10)に変えた以外は実施
例3と同様の操作を行い、実施例6〜10に係る陽極活物
質を得た。これらのリチウム含有量及び過酸化度を第1
表に示した。
(実施例11) 加温装置を設けた内容積3の電解槽に、陽極として
チタン板及び陰極としての黒鉛板をそれぞれ交互に懸吊
し、該電解槽の底部に電解補給液の添加管を設けたもの
を用いた。
かかる電解槽に、マンガン50g/,硫酸30g/となる
ように調整した電解液を満たし、硫酸マンガン溶液にリ
ン酸を0.5g/となるように添加して調整した電解補給
液を上記添加管から注入しながら電解を行った。この電
解は、電解浴の温度を95±1℃に保ち、電流密度100A/m
2で行った。
電解終了後、電解二酸化マンガンが陽極板を取り出
し、常法の後処理を施し、リンを含有する二酸化マンガ
ンを得た。
実施例3の還元処理前の通常の電解二酸化マンガンの
代りに、かかるリン含有二酸化マンガンを用いた以外は
実施例3と同様に操作し、実施例11に係る陽極活物質を
得た。
(実施例12) 実施例3の還元処理前の通常の電解二酸化マンガンの
代りに化学二酸化マンガンを用いた以外は実施例3と同
様に操作し、実施例12に係る陽極活物質を得た。
(実施例13) 実施例3の還元反応で得られた低過酸化度の二酸化マ
ンガン100gに水酸化リチウム5gを加え充分に混合した
後、400℃で5時間加熱処理を行った。得られた陽極活
物質(二酸化マンガン)のリチウム含有量および過酸化
度を第1表に示した。
(実施例14) 実施例13の水酸化リチウム5gを、硝酸リチウム15g
(実施例14)に変えた以外は実施例13と同様の操作を行
った。得られた陽極活物質(二酸化マンガン)のリチウ
ム含有量と過酸化度を第1表に示した。
(比較例1) 実施例3の抱水ヒドラジン水溶液による還元処理を実
施しない以外は、実施例3と同様の操作を行った。得ら
れた陽極活物質(二酸化マンガン)のリチウム含有量お
よび過酸化度を第1表に示した。
(比較例2) 実施例3の水酸化リチウムによる処理を行なわない以
外は、実施例3と同様の操作を行った。得られた陽極活
物質(二酸化マンガン)のリチウム含有量および過酸化
度を第1表に示した。
(比較例3) 通常の電解二酸化マンガンそのままを、比較例3の陽
極活物質とし、その過酸化度を第1表に示した。
(リチウム二次電池) 以上の各実施例1〜14及び比較例1〜3に係る各陽極
活物質を用いて第1図に示すリチウム二次電池を構成し
た。かかるリチウム二次電池には内径10.8mmφの放電用
電池を用い、構成作業はアルゴン雰囲気下のドライボッ
クス中で行った。
第1図中、1は負極端子、2は絶縁物(テフロン
材)、3は負極集電板、4は負極材、5はセパレータ、
6は陽極合剤、7は陽極端子を示す。
陽極合剤6としては、上述した各陽極活物質90mgに対
し黒鉛6mgおよび四フッ化エチレン樹脂4mgを混合し、加
重2tで加圧成型して直径10.6mmφのペレットとしたもの
を用いた。
なお、電解液は、プロピレンカーボネートおよび1,2
−ジメトキシエタンの1:1混合溶媒に過塩素酸リチウム
(LiClO4)を溶解したものを用い、セパレータ5中に含
ませて使用した。また、負極材4としては、リチウム−
アルミニウム合金(Al15重量%)電極を用い、陽極合剤
6に対して充分量(約2倍当量)となるように設計し
た。
このようにして得られた各リチウム二次電池を用い
て、1mAの電流で3.8〜2.0Vの範囲の電圧で充放電を繰り
返し、1サイクル,10サイクルおよび50サイクル毎の二
次電池放電容量を測定した。これらの結果は第1表に示
す。
第1表に示す結果から明らかなように、本発明に係る
実施例1〜14の陽極活物質のリチウム二次電池では、各
サイクルの放電容量が大きく、比較例1〜3に比べて電
池性能が大幅に改善されていることが判る。
<発明の効果> 以上説明したように、本発明によればリチウム二次電
池の充放電サイクルの再現性が良好になり、充分な特性
を有するリチウム二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は一実施例に係るリチウム二次電池の縦断面図で
ある。 図面中、 1は負極端子、 2は絶縁物、 3は負極集電板、 4は負極材、 5はセパレータ、 6は陽極合剤、 7は陽極端子である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−234331(JP,A) 特開 昭62−290058(JP,A) M.M.Thackeray,et al.,”Lithium Inser tion into Manganes e Spinels”,Materia ls Research Bullet in,April 1983,Vol.13, No.4,p.461−472 小槻勉、「リチウム非水溶媒電池用二 酸化マンガンに関する研究」、旭硝子工 業技術奨励会研究報告、1989年1月30日 発行、Vol.53,107−112頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40 H01M 4/38 - 4/58

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムを0.1〜10重量%含有し、熱処理
    により単一相とした過酸化度が1.50〜1.90の二酸化マン
    ガンからなることを特徴とするリチウム二次電池用陽極
    活物質。
  2. 【請求項2】二酸化マンガンをヒドラジン化合物で還元
    した後、リチウム塩水溶液に浸漬し、その後、熱処理す
    ることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池
    用陽極活物質の製造方法。
  3. 【請求項3】二酸化マンガンをヒドラジン化合物で還元
    した後、リチウム塩と混合し、その後、熱処理すること
    を特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用陽極
    活物質の製造方法。
  4. 【請求項4】リチウムを0.1〜10重量%含有し、熱処理
    により単一相とした過酸化度が1.50〜1.90の二酸化マン
    ガンを陽極活物質に用いたことを特徴とするリチウム二
    次電池。
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M.M.Thackeray,et al.,"Lithium Insertion into Manganese Spinels",Materials Research Bulletin,April 1983,Vol.13,No.4,p.461−472
小槻勉、「リチウム非水溶媒電池用二酸化マンガンに関する研究」、旭硝子工業技術奨励会研究報告、1989年1月30日発行、Vol.53,107−112頁

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