JP3406636B2 - 二次電池、二次電池用正極材、およびその製造方法 - Google Patents

二次電池、二次電池用正極材、およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高い作動電圧でエネル
ギー密度が高く、サイクル寿命が長い二次電池に関す
る。
【0002】
【従来の技術】リチウムを負極材料として用いる二次電
池は高いエネルギー密度を持つものとして注目されてい
る。このようなリチウム二次電池の正極材としては、例
えばチタン、モリブデン、銅、ニオブ、バナジウム、マ
ンガン、クロム、ニッケル、コバルトなどの金属の酸化
物、硫化物、セレン化物などが提案されており、なかで
も、充放電容量の大きなリチウムとニッケルやコバルト
の複合酸化物であるLiCoO2 、LiNiO2 などを
用いる開発が進められている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、近年リチウム
二次電池はサイクル寿命の改善や安全性の面から、負極
として化学的に活性な金属状態のリチウムを用いずに、
例えば炭素質材料にリチウムをインターカレーションに
より吸蔵させたものを用いるといった、リチウムをイオ
ン化した状態で保持させる方法をとったものが多い。
【0004】しかし、この負極材の電位は従来用いられ
ていたリチウム金属電極より貴な電位であり、そのため
正極、負極の組み合わせである電池としての作動電圧は
低くな問題があった。このためサイクル特性に優れ、
より高い作動電圧を出しうるリチウム二次電池用の正極
材が提供されることが望ましい。そのようなものとし
て、例えばLiMn24 で示されるスピネル系リチウ
ムマンガン複合酸化物が知られている。
【0005】従来用いられていたLip Mn24 は、
0<p<1の範囲で充放電するときには、リチウム電極
に対して4V付近に平坦領域を有する充放電カーブを示
す。この領域で理論値に近い充放電容量を得るのは難し
く、またサイクル寿命も優れたものではなかった。この
原因の一つとして、LiMn24 合成法が挙げられ
る。すなわち、LiとMnそれぞれの水酸化物や酸化
物、炭酸塩などの出発物質を混合し、数百度で焼成する
ことにより合成する方法が一般的に用いられているが、
この方法で安定なLiMn24 のスピネル結晶骨格を
得ることは難しく、充放電を繰り返したときに結晶構造
が壊れやすく、良いサイクル特性が得られない。
【0006】また他の原因として、Lip Mn24
を、1<pの範囲まで放電したとき、LiがLiMn2
4 格子中に入っていくが、この際LiMn24 の電
子伝導性が急激に低下してしまい、再び充電していくと
き、すなわちLiをLiMn24 格子中から引き抜く
反応のとき、電子伝導性が低下しているため電子の受渡
しがうまくかず、LiのLiMn24 格子中から
引き抜きが不完全なものとなることが考えられる。
率充電が要求される場合この傾向が顕著となり、十
分な充電ができないため作動電圧が低下し、サイクル特
性も急激に劣化してしまう。
【0007】本発明は従来技術のこうした問題を解消
し、高い作動電圧でエネルギー密度が高く、サイクル寿
命が長く、工業的にも容易に合成可能な正極材を用いる
ことにより、経済性の高い二次電池を提供することを目
的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成すべく、リチウム二次電池用正極材としてスピネル
系リチウム含有複合酸化物の合成を種々検討した結果、
一般式Linx Zny Mnz8 (ただし、MはFe
および/またはNi。0<n≦2。x+y+z=4。
0.2≦x≦0.6。0.2≦y≦0.6。2.8≦z
≦3.2。)で表されるスピネル系リチウム含有複合酸
化物を正極材として用いたときにサイクル寿命が長く、
高い作動電圧を有することを見いだした。
【0009】充放電サイクルに対して安定なスピネル結
晶骨格を得るためには、Mnの一部をZnで置換するこ
とが望ましく、また、より高い作動電圧の発現のために
は、Mnの一部をFeおよび/またはNiで置換するこ
とが望ましい。優れたサイクル特性と高い作動電圧とL
i挿入時の電子伝導性のすべてをバランスよく得るため
には一般式Linx Zny Mnz8 (ただし、Mは
Feおよび/またはNi。0<n≦2。x+y+z=
4。0.4≦x≦0.6。0.4≦y≦0.6。2.9
≦z≦3.1。)で表される正極材とすることが望まし
い。
【0010】合成に際し、出発物質として一般式Lin
x Zny Mnz8 (ただし、MはFeおよび/また
はNi。)を構成する金属元素の酸化物、水酸化物、炭
酸塩、硝酸塩等を用いることができる。また、出発物質
の粒径はなるべく小さいほうが望ましい。これは焼成時
に固相反応を行うため、出発物質の粒径が小さいほうが
反応が速やかに均一に進行するためである。出発物質の
平均粒径は、好ましくは30μm以下、より好ましくは
15μm以下とする。
【0011】また合成にあたり焼成条件としては、焼成
温度は700〜950℃、特には850〜900℃とす
ることが望ましい。焼成時間は15〜30時間、特に
20〜25時間とすることが望ましい。また、合成時の
均一化をはかるため、焼成初期から1〜4時間後、特に
は2〜3時間後に一旦焼成炉から取り出し、焼成物を粉
砕撹拌し、再び焼成炉に戻す工程を入れることが望まし
い。
【0012】また、焼成終了時、焼成温度から降温して
いくときの降温速度が早すぎると安定なスピネル結晶骨
格が得られずサイクル特性に支障をきたすため、降温速
度はなるべく遅いほうがよい。焼成終了時の降温速度は
50〜120℃/h、特には80〜100℃/hとする
ことが望ましい。
【0013】一方、負極材としては、リチウム金属を用
いることができ、またリチウムを含有する負極材とし
て、リチウム合金(例えば、Li−Al合金、Pb, B
i,Snなどの低融点金属とLiとの合金など)、リチ
ウムを含有する有機導電性物質や有機物焼成体などの層
間化合物、正極材よりも卑な電位で作動するリチウムを
含有する金属酸化物や硫化物やセレン化物などを用いる
ことができる。
【0014】また、電解質は、リチウムイオンが移動可
能なものならいずれでもよいが、固体電解質(例えば、
ポリエチレンオキドにLiClO4 を溶解させたもの
や無機リチウム固体電解質を樹脂中に分散させたものな
ど)やエステル類やエーテル類の有機溶媒にリチウム
塩を溶解させた非水溶媒電解質(例えば、炭酸プロピレ
ンとジメトキシエタンの1:1の混合溶媒に1mol/
lの過塩素酸リチウムを溶解したものなど)を用いるこ
とができる。
【0015】
【作用】本発明による一般式Linx Zny Mnz
8 (ただしMはFeおよび/またはNi。0<n≦
2。x+y+z=4。0.2≦x≦0.6。0.2≦y
≦0.6。2.8≦z≦3.2。)で構成される正極材
は、合成された時点において放電状態であり、リチウム
からなる負極材またはリチウムを含有る負極材と組み
合わせて充電し正極材中のLiを結晶格子中から引き抜
くことにより充電状態となる。このときの正極材側での
反応は、化1のごとく進行すると考えられる。
【0016】
【化1】
【0017】ここで、化1の右項のLi+ は負極材側に
移行する。このように構成された電池は高い作動電圧で
エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長いものとな
る。
【0018】
【実施例】以下に実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【0019】(実施例1) Li2 CO3 を0.2モル、MnCO3 を0.6モル、
Fe23 を0.05モル、ZnOを0.1モル秤取
し、良く混合したものを空気雰囲気中において焼成炉で
900℃で2時間焼成後、一旦取り出した。この焼成物
を粉砕混合し、再び空気雰囲気中において焼成炉で90
0℃で20時間焼成後、100℃/hの速度で100℃
になるまで降温し焼成物を取り出し乳鉢にて粉砕した。
このものを原子吸光法により分析した結果Li1.93Fe
0.50Zn0.49Mn3.018 なる組成であった。
【0020】この粉砕物85重量部に導電剤としてケッ
チェンブラック10重量部と、結着剤としてポリフッ化
ビニリデン樹脂5重量部を加え、これをN−メチルピロ
リドンに溶解させてスラリーとした。このスラリーを厚
さ30μmのアルミニウム箔に均一に塗布後、これを約
180℃で乾燥させてからローラープレス機にて塗布厚
が約100μmになるまで圧延し、20mm×20mm
の大きさに切断したものを正極とした。
【0021】一方、負極としては、厚さ0.6mmの金
属リチウム箔を25mm×25mmの大きさに切断し、
端部にニッケルリードを圧着したものを作した。図1
のように、負極1と正極2の塗布面を対向させ、その間
にセパレータとして、厚さ25μmのポリプロピレン製
のマイクロポーラスフィルム3を介在させ十分な電解質
の存在するビーカーセルに浸漬し、負極端子4、正極端
子5に充放電電源を接続し、25℃にてアルゴン雰囲気
中で充放電試験を行った。
【0022】電解質として、1mol/lのLiClO
4 を溶解した体積比1:1の炭酸エチレンと1,2−ジ
メトキシエタンの混合溶媒を用いた。充放電条件は定電
流で1mA/cm2 の電流密度で行い、充電電圧は4.
5Vまで、放電電圧は2.9Vまでの電位規制で行っ
た。
【0023】充放電50サイクル目の放電カーブを図2
に示した。また5、50、100、200サイクル時の
平均作動電圧、および5サイクル目を初期値とした場合
の放電容量維持率を表1に示した。
【0024】(実施例2) Fe23 を0.05モル用いる代りに、NiOを0.
1モル用いた以外は、すべて実施例1と同様に行った。
このものを同様に分析した結果Li1.91Ni0.49Zn
0.47Mn3.048 なる組成であった。これを実施例1と
同様に電池に組み、実施例1と同様に充放電を行った結
果を図2および表1に示した。
【0025】(実施例3) Fe23 を0.05モル用いる代りに、Fe23
0.03モルとNiOを0.04モル用いた以外は、す
べて実施例1と同様に行った。このものを同様に分析し
た結果Li1.93Fe0.31Ni0.19Zn0.47Mn3.048
なる組成であった。これを実施例1と同様に電池に組
み、実施例1と同様に充放電を行った結果を図2および
表1に示した。
【0026】(比較例1) Li2 CO3 を0.2モルとMnO2 を0.8モル秤
し、良く混合したものを空気雰囲気中において焼成炉で
800℃で20時間焼成後、焼成物を取り出し乳鉢にて
粉砕した。この粉砕物を用いたこと以外は、すべて実施
例1と同様に行った。このものを同様に分析した結果L
0.98Mn24 なる組成であった。これを実施例1と
同様に電池に組み、実施例1と同様に充放電を行った結
果を図2および表1に示した。
【0027】(比較例2) Li2 CO3 を0.3モルとCo23 を0.3モル秤
し、良く混合したものを空気雰囲気中において焼成炉
で700℃で10時間焼成後、焼成物を取り出し乳鉢に
て粉砕した。この粉砕物を用いたこと以外は、すべて実
施例1と同様に行った。このものを同様に分析した結果
Li0.99CoO2 なる組成であった。これを実施例1と
同様に電池に組み、実施例1と同様に充放電を行った結
果を図2および表1に示した。
【0028】
【表1】
【0029】
【発明の効果】これらの実施例ならびに比較例の結果か
ら明らかなように、本発明を適用した二次電池では、高
い作動電圧が発現でき、またサイクル特性も従来に比較
して優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例および比較例で使用した試験用電池の断
面図
【図2】実施例および比較例の5サイクル目の放電曲線
を示す特性図
【符号の説明】
1:負極 2:正極 3:マイクロポーラスフィルム 4:負極端子 5:正極端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/00 - 4/62

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムからなる負極材またはリチウムを
    含有する負極材と一般式LinxZny Mnz8
    (ただし、MはFeおよび/またはNi。0<n≦2。
    x+y+z=4。0.2≦x≦.6。0.2≦y≦
    0.6。2.8≦z≦3.2。)で表される正極材を用
    いたことを特徴とする二次電池。
  2. 【請求項2】一般式Li n x Zn y Mn z 8 (ただ
    し、MはFeおよび/またはNi。0<n≦2。x+y
    +z=4。0.2≦x≦0.6。0.2≦y≦0.6。
    2.8≦z≦3.2。)で表されることを特徴とする二
    次電池用正極材。
  3. 【請求項3】請求項2に記載の二次電池用正極材の製造
    方法であって、該正極材を構成する金属元素の酸化物、
    水酸化物、炭酸塩または硝酸塩を出発物質とし、該出発
    物質としてはいずれも平均粒径が30μm以下のものを
    用い、700〜950℃で焼成することを特徴とする二
    次電池用正極材の製造方法。
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US6623886B2 (en) * 1999-12-29 2003-09-23 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Nickel-rich quaternary metal oxide materials as cathodes for lithium-ion and lithium-ion polymer batteries

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