JP3342769B2 - リチウム1次電池用二酸化マンガンおよびその製造方法 - Google Patents
リチウム1次電池用二酸化マンガンおよびその製造方法Info
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Description
活物質に用いられる二酸化マンガンおよびその製造方法
に関するものである。
二酸化マンガン、フッ化炭素などが代表的なものとして
知られており、これらはすでに実用化されている。この
ような陽極活物質の中で、特に二酸化マンガンは、放電
特性に優れ、かつ安価であるという利点を有する。
に用いられる二酸化マンガンは、リチウム1次電池の保
存性を改善することを主目的として、特公昭57−40
64号公報に示されるように、350℃〜430℃で焼
成することによって、二酸化マンガンに含まれる水分を
除去した上で、リチウム1次電池の陽極活物質として使
用されている。
して用いたリチウム1次電池は、カメラなどの用途に用
いられているが、特にカメラの高性能化、高機能化によ
り、さらに放電特性並びに保存特性を向上させたリチウ
ム1次電池が望まれている。
次電池の放電容量のみならず、放電電圧の向上をも合せ
て達成することを可能とするため、焼成後の二酸化マン
ガン(以下「焼成マンガン」と略称する)には、高い比
表面積を有することが必要とされている。
ンガンの比表面積を高く維持するためには、上記の公知
技術である焼成温度範囲350〜430℃、中でも35
0〜400℃の低温で焼成する必要がある。しかしなが
ら、焼成温度を低くすると、比表面積は高く維持される
ものの、焼成マンガン中の結合水含有量は逆に多く残留
する。これをリチウム1次電池の陽極活物質として使用
した場合、負極のリチウムもしくはリチウム合金と残留
水分が反応し、また、非水電解液の分解が促進されるた
め、リチウム1次電池の保存性能、とりわけ高温保存後
の性能が著しく劣化する。
温度を440℃以上の高温にすると、結合水含有量は低
下するものの、二酸化マンガンが分解して、不活性なM
n2O3に変化するため、電池の放電性能が著しく低下す
る難点がある。
スよく高い水準で維持し得るリチウム1次電池用焼成マ
ンガンを製造することができる方法はまだ開発されてい
ない。
結合水分の除去を併せて達成したリチウム1次電池用二
酸化マンガンおよびその製造方法を提供することにあ
る。
水二酸化マンガンを焼成する際に、外熱式回転型連続焼
成炉の炉外から炉内に導入する空気流量を一定範囲内に
調節しながら、従来の知見では困難であった440℃〜
480℃、望ましく450℃〜470℃の範囲でという
高い温度で焼成することにより達成される。ここで制御
される空気流量は、使用される二酸化マンガン1kgあ
たり20〜2000Nlの範囲、望ましくは100〜1
000Nlの範囲である。
とは、加熱処理前の二酸化マンガンを指し、二酸化マン
ガンとしては電解二酸化マンガン、化学二酸化マンガ
ン、天然二酸化マンガンのいずれも適用可能である。し
かし純度、特性面から電解二酸化マンガンが好ましく、
特に特開平2−57693号公報、特開平2−1551
66号公報に報告されているような、リンを0.05〜
2.0重量%含有させて従来より比表面積を大きくした
電解二酸化マンガンを使用すると極めて効果的である。
物性コントロールを効果的に行うためには、外熱式回転
型連続焼成炉による連続焼成方式が最も好ましい。外熱
式回転型連続焼成炉を使用すると、使用された含水二酸
化マンガンは常に炉内で攪拌されながら移動するため、
炉外から流量制御されて導入された空気が、炉内の二酸
化マンガンと効果的に接触する。この結果、より好まし
い特性を持ったリチウム1次電池用焼成マンガンを得る
ことが可能となる。
レショフ炉や流動焼成炉も使用が可能である。しかしヘ
レショフ炉は、二酸化マンガンの攪拌が不十分で、炉内
のピストンフローが期待できない。また流動焼成炉は空
気との攪拌混合については理想的であるが、導入空気流
量を流動条件により決めざるを得ないため、自由に空気
流量を設定できない難点がある。またベルト式の連続加
熱炉では、完全な炉内ピストンフローが期待できる反
面、二酸化マンガンと空気との混合を充分なものにする
ためには、ベルト上の二酸化マンガンの層厚を極めて薄
くする必要があり、このために設備・コストが過大とな
り現実的でない。
連続焼成炉と同様の問題があるほか、バッチ方式ゆえに
二酸化マンガンの温度が経時的に変化して行くので、一
定の雰囲気、すなわち、後述する一定の水蒸気分圧下で
の焼成ができない。そのため、焼成マンガンの充分な特
性コントロールが困難である。
は、外熱式回転型連続焼成炉の使用が不可欠である。
る際に、炉内空気流量(以下「空気比」と記す)を、供
給含水二酸化マンガン1kgあたり20〜2000Nl
(以下、20〜2000Nl/kgと記す)に制御した
外熱式回転型連続焼成炉を用いて焼成温度440℃〜4
80℃の範囲で望ましくは450〜470℃の範囲で連
続焼成すると、含水二酸化マンガンの分解反応が抑制さ
れると同時に、比表面積の低下も抑制される理由は必ず
しも明らかではないが、次のように想定する事ができ
る。
素がいかなる構造で構成されているかについては明確で
ないが、この含水二酸化マンガンを焼成すると、温度に
よりその脱離比率は変動するものの、結合水と酸素は同
時に含水二酸化マンガンから脱離していく。すなわち、
含水二酸化マンガンを焼成した時の結合水と酸素の脱離
反応は、お互いに競争反応であるといえる。
脱離反応速度は、焼成雰囲気、すなわち含水二酸化マン
ガンの粒子表面のそれぞれ水蒸気分圧と酸素分圧に関係
すると推測される。このことは、水蒸気分圧が低下すれ
ば結合水の脱離が加速され、同様に、酸素分圧が低下す
れば酸素の脱離が加速されることを意味する。
面積の低下についても、その機構は明らかではないが、
含水二酸化マンガンを加熱焼成すると、結合水が脱離し
ていくと共に結晶構造が、いわゆるβ型に変化してい
く。加熱焼成によるβ型化が進めば進むほど、その結晶
は熱的に安定した比表面積の小さな構造に変化してい
く。含水二酸化マンガンの結合水の脱離反応と結晶構造
の変化はお互いに密接な関係があるが、加熱時の結合水
の脱離反応が遅ければ、β型に変化する際に加えられる
熱エネルギーが結晶構造自体により強く作用し、結果と
して結晶構造の変化を加速し、比表面積もこれに応じて
大きく減少することが考えられる。
次のとおりであると説明することができる。
二酸化マンガンを連続焼成すると、含水二酸化マンガン
は急速に加熱されてその結合水を脱離していくが、この
時、炉外から含水二酸化マンガンの流れと反対方向に空
気を制御しながら導入すると、脱離して水蒸気となった
結合水は、この空気と共に速やかに炉外に排出される。
この結果、加熱された含水二酸化マンガンの粒子表面上
では、常に水蒸気分圧がより低い状態に維持されるた
め、速やかな結合水の脱離が可能となる。そして前記の
とおり、速やかな結合水の脱離は、加熱焼成に伴う比表
面積の減少を最小限にとどめることが可能になる。後述
の実施例からも明らかなとおり、結合水の脱離時に含水
二酸化マンガン粒子表面の水蒸気分圧を調整すること
は、炉内に導入する空気量を変えることで可能であり、
必要に応じて焼成マンガンの比表面積を調整することが
可能である。
水二酸化マンガン粒子表面の水蒸気分圧を低下させて一
定に維持すれば、相対的に酸素分圧の低下を防ぐことが
可能となり、従来の技術では不可能であった、440℃
〜480℃、望ましくは450℃〜470℃という高い
温度領域でも、酸素の脱離に伴う二酸化マンガンの分解
を防止できる。なお後述の実施例に述べるとおり、本発
明に必要とされる雰囲気中の酸素濃度は、大気と同程
度、すなわち21%程度で充分であり、これ以上に酸素
濃度を上げても大きな効果は認められない。
ては、通常の化合物の結晶水と異なり、特定の温度での
脱水反応は見られず、焼成温度の上昇につれて徐々に見
合いの結合水が脱離していく。したがって、焼成マンガ
ンの残留結合水は、焼成温度が高いほど少なくなる。こ
の点から、本発明により、従来の知見では不可能であっ
た高い温度で焼成した焼成マンガンの残留結合水分は、
当然従来よりも低下し、電池の保存性改善に寄与するこ
とになる。
体的に説明する。
の実施例に使用される外熱式回転型連続焼成炉を示す。
図1において、符号1は含水二酸化マンガン用ホッパ
ー、2は供給装置、3は供給重量連続測定機、4は供給
コンベア、5は供給側フード、6は排気ダクト、7エア
シールパッキング、8は焼成キルン駆動ローラ、9は焼
成キルン、10はヒーター、11は温度センサー、12
は排出側フード、13は排出装置、14は送気ダクト、
15は空気流量計、16は空気量調節機、17は送風機
をそれぞれ示す。
て、含水二酸化マンガンの焼成を行った。焼成キルン9
は耐熱性のステンレス鋼で製作されており、その外部か
らヒーター10により加熱される。また焼成キルン9の
内部には、その内部を連続的に移動する含水二酸化マン
ガンに直接接触するように、温度センサー11が焼成キ
ルン9の長手方向に複数設置され、含水二酸化マンガン
の実際の温度(以下「品温」と記す)が連続的に測定で
きるようになっている。品温は、ヒーター10の温度を
制御することにより、必要とする温度に調整可能であ
る。
9の内部に導入された空気は、漏洩することなく全量が
排気ダクト6から排気される必要がある。本実施例で
は、含水二酸化マンガン用ホッパー1内および排出側フ
ード12内でのいわゆるマテリアルシールに加え、焼成
キルン9と供給側フード5の摺動面、および焼成キルン
9と排出側フード12の摺動面にはエアシールパッキン
グ7を装着することで、この目的を達成している。
量連続測定機3で供給装置2を自動制御することにより
可能ならしめている。
節機16を自動制御することにより定量供給している。
転型連続焼成炉を使用し、焼成温度と空気比を変化させ
て、含水二酸化マンガンを焼成して得られた焼成マンガ
ンの特性を、表1,表2および表3に示す。
号公報、特開平2−155166号公報に報告されてい
る方法により製造された、リンを含有する電解二酸化マ
ンガンである。この電解二酸化マンガンは、リン含有量
0.28重量%、比表面積62m2/gの特性をもって
いる。なお比表面積は、N2ガス吸着法による値であ
り、試料の脱気条件は250℃、20分である。この電
解二酸化マンガンを焼成炉に、1時間当り100kgの
割合で定量連続供給した。
とにより、電解二酸化マンガンの滞留時間を、本実施例
では2時間に調節したが、炉内の電解二酸化マンガンは
強い攪拌混合を受けているので、品温が焼成温度に達し
ていれば、滞留時間はさらに短縮しても支障はない。
パターンを測定し、33℃付近に発現するMn2O3(三
酸化二マンガン)のピークの状況を示している。表1の
中で、○印はMn2O3を全く検出せず、得られた焼成マ
ンガンがいわゆるβ型二酸化マンガンである事を示して
いる。△印はわずかにMn2O3のピークが検出されたも
のである。×印は、Mn2O3ピークが強く発生してお
り、焼成時に二酸化マンガンのMn2O3への熱分解が進
んでいる事を示している。
〜480℃と高くなっても、空気比を20Nl/kg以
上に増加させれば、二酸化マンガンの熱分解が抑制され
ている。焼成温度が450〜470℃、空気比が100
〜1000Nl/kgの範囲では、熱分解は完全に抑制
されている。
せると、空気比を1000Nl/kg以上にしても熱分
解を完全に抑制する事は困難であった。空気比を200
0Nl/kgより大きくすると二酸化マンガンの飛散が
多く現実的でないので、本実施例では割愛した。また、
空気比が20Nl/kgより下回ると、480℃でも熱
分解が進んでいることがわかる。
の比表面積を示している。比表面積の測定は、電解二酸
化マンガンについて行った測定条件と同一条件で行っ
た。
比表面積は、焼成前の電解二酸化マンガンの比表面積よ
り減少し、また、焼成温度が高くなるとその比表面積の
減少度合いが大きくなるが、さらに表2より、空気比が
多くなる程、比表面積の減少度合いが少なくなり、比表
面積の大きな焼成マンガンが得られている。ただし、空
気比を1000Nl/kg以上に増加させても効果はほ
とんど変わらない。
の結合水含有量を示している。リチウム1次電池に使用
される焼成マンガンに関し、100℃以下で離脱する水
分、いわゆる付着水は、電池製造ラインでの加熱処理工
程で除かれるため、実用上問題ではない。従ってここで
は、焼成マンガンを100℃から400℃に加熱した時
に放出される結合水をカールフィッシャー法により測定
した。
なるほど当然結合水含有量は減少していく。加えて、空
気比が増加するほど、結合水含有量は減少していく。こ
れは、空気比が増加すると、炉内の水蒸気分圧が低下
し、結果として平衡状態にある焼成マンガンの結合水の
脱離が加速されるためであると考えられる。ただし、空
気比を1000Nl/kg以上に増加させても結合水含
有量の減少効果はほとんど変わらない。
比で得られた二酸化マンガンのX線回折パターンを示
す。本発明の範囲内である450℃、500Nl/kg
の条件で得られた焼成マンガンの回折パターンを示す図
2では、Mn2O3のピークは認められないが、470
℃、20Nl/kgの条件では、図3に示すように、△
で示す位置にわずかなピークが認められる。しかし本発
明の範囲外である490℃、100Nl/kgの条件で
得られた焼成マンガンの回折パターンを示す図4では、
×で示す3つの位置で著しいピークが認められる。
の設備、同一の電解二酸化マンガン、同一の供給量と滞
留時間にて、導入空気中のO2濃度のみを変化させ、こ
の時の焼成マンガンの熱分解状況を測定した。その結果
を表4に示す。
いたものと同一の状況を示している。また空気比は、比
較的熱分解の発生しやすい条件、すなわち20Nl/k
gで行った。空気中のO2濃度の調整は、空気にN2もし
くはO2ガスを加えて行っている。
と、480℃という温で熱分解が発生しMn2O3ピーク
が認められたが、逆にO2を30%まで増加させても、
成分調整を行っていない通常の通気を使用した場合と比
較して、有意な差は認められなかった。
認められなかった。
設備と方法にて電解二酸化マンガンを焼成した。その結
果を表5に示す。
属するステンレス製の角型皿に実施例1で使用したのと
同一の電解二酸化マンガンを層厚5cmになるように入
れた。
約4時間を要し、その後設定温度に4時間維持した後、
炉内から取り出した。測定方法は、実施例1で適用した
ものと同一である。
焼成温度は440℃が上限であり、これ以上の温度では
二酸化マンガンの熱分解が始まる。また比表面積の減少
度合いも大きく、残留する結合水も実施例1より多くな
っている。
ガンとしてリンを含有する電解二酸化マンガンについて
記述したが、無論、通常の電解二酸化マンガンや化学二
酸化マンガン、天然二酸化マンガンの焼成についても適
応可能である。
マンガンについては、それ程低温重負荷特性を要求され
ない反面、極めて長期にわたる安定性を求められる。こ
のような場合は、マンガン電池やアルカリマンガン電池
に使用される電解二酸化マンガンの焼成がむしろ適当で
あり、本発明による方法を用いれば、従来以上に低結合
水含有量の焼成マンガンを提供することが可能であり、
結果としてコイン型リチウム1次電池の長期保存特性を
向上させることが可能となる。
は、とりわけ低温域での重負荷放電性能の向上が必要と
されており、このために焼成マンガンに要求される特性
は概略次のようなものである。
検出であること。 (2)比表面積 :25m2/g以上、望ましくは
28〜36m2/g。 (3)結合水含有量 :0.45%以下、望ましくは
0.30%以下。
ンは、440℃以上の焼成温度での従来法による比較例
2では得られないことがわかる。
式であるため、含水二酸化マンガン層中の気体の移動が
極めて少ないため表面部を除く大部分の含水二酸化マン
ガンは焼成時に高い水蒸気分圧と相対的に低い酸素分圧
の状態にさらされるためであると想定される。
必要特性3項目を同時に満足させる焼成条件が存在す
る。すなわち、焼成温度440℃から480℃、空気比
20〜2000Nl/kgの範囲である。さらに望まし
い特性の焼成マンガンを得るためには、焼成温度450
℃から470℃、空気比100〜1000Nl/kgの
焼成条件が好ましい。
加しても支障はないが、焼成中の飛散ロスの増加や、熱
ロスの増大の点から工業的にメリットが少ない。
焼成を行うために用いられた外熱式回転型連続焼成炉の
構成を示す概略的縦断面図。
0℃、500Nl/kgにおけるX線回折パターンの例
を示すチャート。
0℃、20Nl/kgにおけるX線回折パターンの例を
示すチャート。
0℃、100Nl/kgにおけるX線回折パターンの例
を示すチャート。
Claims (4)
- 【請求項1】 含水二酸化マンガンを焼成して脱水する
際に、外熱式回転型連続焼成炉を用いて、焼成温度を4
40℃〜480℃の温度範囲とし、前記焼成炉内に供給
する含水二酸化マンガン1Kgあたり、前記焼成炉内に
導入する空気流量を20〜2000Nlの範囲に制御し
て焼成雰囲気を調整することを特徴とするリチウム1次
電池用二酸化マンガンの製造方法。 - 【請求項2】 前記焼成温度が450℃〜470℃の温
度範囲である請求項1に記載のリチウム1次電池用二酸
化マンガンの製造方法。 - 【請求項3】 前記焼成炉内に導入する空気流量を10
0〜1000Nlの範囲に制御して焼成雰囲気を調整す
ることを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム1
次電池用二酸化マンガンの製造方法。 - 【請求項4】 前記含水二酸化マンガンが、リンを0.
05〜2.0重量%含有している請求項1〜3のいずれ
か1項に記載のリチウム1次電池用二酸化マンガンの製
造方法。
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