JP3564322B2

JP3564322B2 - 二次電池用リチウムマンガン複合酸化物の製造方法

Info

Publication number: JP3564322B2
Application number: JP11980099A
Authority: JP
Inventors: 恒高橋; 裕樹橋場; 孝志遠藤; 匠村井; 賢哉大谷
Original assignee: 日本電工株式会社
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: JP2000311685A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池用リチウムマンガン複合酸化物の製造方法に関し、特に、リチウム二次電池の正極材として好適に用いられる高密度スピネル型リチウムマンガン酸化物の製造方法についての提案である。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムマンガン酸化物、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４は、スピネル型のマンガン化合物であり、資源量が豊富で価格面からも有利なマンガン化合物を原料とするので、高電圧・高エネルギー密度型のリチウム二次電池用正極材であるＬｉＣｏＯ_２の代替材料として、最近とくに注目を浴びているものである。
【０００３】
しかしながら、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４は、電池サイクル特性がＬｉＣｏＯ_２よりも劣る。そのため、最近では、その電池サイクル特性を改善した元素置換型リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ_ｘ−ｙＭ_ｙＯ_４）が提案されている。
このＬｉＭｎ_ｘ−ｙＭ_ｙＯ_４の合成方法としては、リチウムの塩または酸化物と二酸化マンガンおよび周期律表ＩＩＩａ，ＩＩＩｂの元素、例えば、Ｂａ，Ａｌ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｙなどの塩または酸化物とを混合し、酸化性雰囲気中で３００〜５００ ℃の温度に焼成して合成する方法が提案されている（特開平２−２７８６６１号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような方法により得られる元素置換型リチウムマンガン酸化物は、確かに電池サイクル特性は向上するものの、粉体としての充填性、タップ密度が約１０％程度低下するため実用電池に使用することが困難であった。
また、この方法では、出発原料粉を固体−固体間において乾式で混合することから、原子あるいは分子レベルでのミクロ的な均一混合が不可能で、それ故に結晶構造が不安定になりやすく、生成酸化物中に欠陥が生じやすいという欠点があった。つまり、こうした従来技術の下では、十分な充放電サイクル特性を有する酸化物の製造が困難であった。
【０００５】
すなわち、このような方法によって得られたリチウムマンガン酸化物は、酸化物粒子表面に配位するＭｎ置換金属元素の粉末が、マンガン酸化物粒子表面に付着し、内部に拡散吸収されることなく残るために突起物を形成し、その後に行う焼成によってリチウムマンガン酸化物を生成する段階においても、その突起物がそのまま痕跡として表面に残るのが特徴である。
【０００６】
本発明は、従来技術が抱えている上述した課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、充填性および電池特性に優れるスピネル型ＬｉＭｎ_ｘ−ｙＭ_ｙＯ_４を提供することにある。
即ち、本発明は、粒子表面に配位させる金属元素に起因する突起物を極力少なくすることにより、嵩密度を大きくして電池の正極への充填密度を向上させ、ひいては初期放電容量やサイクル寿命を低下させることなく、二次電池の体積容量を向上させることを解決課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上掲の目的の実現に向け鋭意研究を行った。その結果、充填性低下の原因が粒子表面に形成された約１〜３μｍの大きさの微小突起であることを解明した。この微小突起は二酸化マンガン粒子表面に付着した置換元素化合物粉末が反応後もその形状を保ったまま残存するため生成するものであると考えられた。そこで、元素置換を置換元素化合物粉末ではなく、置換元素塩の水溶液で行うことにより、微小突起の形成を抑制できること、また、反応性も高くなり、より均一な元素置換型リチウムマンガン酸化物が得られ、電池特性が向上することを知見し、本発明を開発するに到った。
【０００８】
すなわち、本発明は、電解二酸化マンガン粒子と Mn置換金属塩水溶液とを前記電解二酸化マンガンに対して前記 Mn 置換金属塩水溶液が 5 〜 15wt ％となるように混合して前記電解二酸化マンガン粒子表面に前記 Mn 置換金属塩の薄膜を形成させ、該金属塩薄膜で被覆された電解二酸化マンガンを乾燥し引き続き 200 ℃以上の温度に加熱して金属塩を熱分解させることにより電解二酸化マンガン粒子表面および該粒子内部にサブミクロンオーダーのMn置換金属酸化物粒子を析出させ次いで、表面および内部に Mn 置換金属酸化物粒子を析出させた電解二酸化マンガン粒子を水酸化リチウムまたはリチウムを含む塩とを混合したのち焼成することによりLiMn_x-yM_yO₄（式中、M は Al 、 Ti 、 Ge 、 Fe 、 Cr 、 Zn および Ni から選んだ Mn 置換金属）を合成させることを特徴とする二次電池用リチウムマンガン複合酸化物の製造方法を要旨構成とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる製造方法の実施によって得られるリチウムマンガン酸化物は、下記一般式に表されるものとする。
一般式：LiMn_x-yM_yO₄
x：1.8〜2.1
y：0.01〜0.1
M：Al 、 Ti 、 Ge 、 Fe 、 Cr 、 Zn および Ni から選んだ Mn 置換金属
【００１０】
上記リチウムマンガン酸化物の製造に当たっては、出発原料として、電解二酸化マンガン粉末とＭｎ置換金属塩水溶液とを用いる。
ここで、電解二酸化マンガンとは、硫酸酸性の硫酸マンガン水溶液中で陽極板にチタン、陰極板に黒鉛を用い、一定の電流密度の直流で電気分解し、陽極板のチタン表面にマンガンを電析させることにより得られる二酸化マンガンである。
【００１１】
また、Ｍｎ置換金属塩水溶液としては、ＡｌやＣｒ，Ｆｅなどの金属塩水溶液、なかでも後処理をも考慮すると硝酸塩（Ａｌ（ＮＯ_３）・９Ｈ_２Ｏ、Ｃｒ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏ、Ｆｅ（ＮＯ_３）_３・６Ｈ_２Ｏ）などがとりわけ好ましい。
【００１２】
この水溶液と二酸化マンガンとの混合比率は、水溶液の濃度や二酸化マンガンの粒度にもよるが、二酸化マンガンに対して水溶液は５〜１５ｗｔ％が好ましい。この理由として、５ｗｔ％以下では二酸化マンガン粒子の全体に引用が行き渡らず不均一となる。また、１５ｗｔ％以上では混合時に粘土状あるいはスラリー状となり、それを乾燥させるとＭｎ置換金属塩が部分的に偏析し不均一となるからである。
【００１３】
本発明において、Ｍｎ置換金属元素を、硝酸塩水溶液などとして提供する理由は、基本的には電解二酸化マンガン粒子の表面にこれらの金属塩水溶液を被覆して薄膜を形成させ、その後金属塩薄膜で被覆された電解二酸化マンガンを２００℃以上の温度に加熱して金属塩を熱分解させ、電解二酸化マンガン粒子および内部にサブミクロンオーダーの金属酸化物粒子を析出させることにより、該粒子表面に１〜３μｍの大きさの微突起をもたない平滑な表面をもつマンガン酸化物を得るのに好都合だからである。
【００１４】
このようにして電解二酸化マンガン粒子表面にMn置換金属塩の薄膜を被成したのち、この粒子を100℃以上の温度で乾燥し、引き続き200℃以上の温度に加熱して、上記金属塩を熱分解させ、得られたその熱分解酸化物粒子を電解二酸化マンガン粒子の表面および内部にサブミクロンオーダーの金属酸化物として析出させたマンガン酸化物粒子とする。
【００１５】
次に、上記金属酸化物が析出したマンガン酸化物粒子と水酸化リチウム（LiOH）またはリチウムを含む塩とを混合する。上記リチウムを含む塩としては、炭酸リチウムや硝酸リチウム、硫酸リチウム、塩化リチウム等を用いることができ、好ましくは炭酸リチウムを用いる。この理由は、炭酸イオンが炭酸ガスCO₂として分解するために他のアニオン（硫酸イオン、塩化物イオンなど）と比較して除去が容易であり、焼成品中に残らないため有利だからである。
【００１６】
次に、かかるマンガン酸化物の熱分解粒子とリチウム塩等との混合物を、約７５０〜９００ ℃×５〜３時間程度の条件で焼成し、完全なスピネル形態としたのち、二次電池用正極材とする。
【００１７】
【実施例】
実施例１
まず、Ｍｎ原料として平均粒径１５μｍの電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）を用い、これに硝酸アルミニウム水溶液をＥＭＤに対して１０ｗｔ％割合で添加し混合した。この時のＭｎとＡｌのモル比率は１．９５：０．０５となるように水溶液濃度を調整した。その後、１００ ℃，２時間で乾燥し、さらに２５０ ℃，５時間で硝酸塩の熱分解を行った（熱分解粒子の生成）。この操作により、ＥＭＤ粒子表面および内部にサブミクロンオーダーの酸化アルミニウムが均一に析出した状態となった。次に、炭酸リチウムと上記熱分解粒子とをＬｉとＭ（Ｍｎ＋Ａｌ）のモル比率で１．１２：２．０となるように充分混合した。その後、大気中で７５０℃、２０時間の焼成を行い、サンプルを得た。
【００１８】
実施例２
まず、Ｍｎ原料として平均粒径１５μｍの電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）を用い、これに硝酸鉄（ＩＩＩ）水溶液をＥＭＤに対して１０ｗｔ％の割合で添加・混合した。この時のＭｎとＦｅのモル比率は１．９５：０．０５となるように水溶液濃度を調整した。その後、１００ ℃で２時間の乾燥を行い、さらに２５０ ℃，５時間の条件で硝酸塩の熱分解を行った（熱分解粒子の生成）。次に、炭酸リチウムと上記マンガン酸化物とをＬｉとＭ（Ｍｎ＋Ｆｅ）のモル比率で１．１２：２．０となるように充分に混合した。その後、大気中で７５０℃、２０時間の焼成を行い、サンプルを得た。
【００１９】
比較例１
まず、Ｍｎ原料として平均粒径１５μｍの電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）を用い、これに平均粒子径１μｍの酸化アルミニウムと炭酸リチウムとをＭｎとＡｌのモル比率は１．９５：０．０５とし、ＬｉとＭ（Ｍｎ＋Ａｌ）のモル比率で１．１２：２．０となるようにして充分混合した。その後、大気中で７５０℃、２０時間の焼成を行い、サンプルを得た。
【００２０】
比較例２
まず、Ｍｎ原料として平均粒径１５μｍの電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）を用い、これに平均粒子径０．９ μｍの三酸化二鉄と炭酸リチウムとをＭｎとＦｅのモル比率は１．９５：０．０５とし、ＬｉとＭ（Ｍｎ＋Ｆｅ）のモル比率で１．１２：２．０となるようにして充分混合した。その後、大気中で７５０℃、２０時間の焼成を行い、サンプルを得た。
【００２１】
比較例３
まず、Ｍｎ原料として平均粒径１５μｍの電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）を用い、これに炭酸リチウムをＬｉとＭｎのモル比率は１．１２：２．０となるようにして充分混合した。その後、大気中で７５０℃、２０時間の焼成を行い、サンプルを得た。
【００２２】
上記各実施例、比較例につき、タップ密度と２５℃での初期放電容量、３０回繰返し使用後の放電容量につき比較試験を行った。そして、実施例１と比較例１の粒子表面形状のＳＥＭ写真をとって比較した。
その結果、実施品は比較品に比べると、タップ密度が大きく充填特性に優れることが判明すると共に、表中の容量維持率に明らかなように、優れた電池特性を示すことがわかった。
なお、タップ密度は、サンプル５ｇを１０ｍｌメスシリンダーに入れ、１００回のタッピングを行なって最終の充填体積により算出した値である。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、粒子表面がなめらかで、充填性および電池特性に優れたスピネル型リチウムマンガン酸化物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られたＬｉＭｎ_１．９５Ａｌ_０．０５Ｏ_４の写真である。
【図２】比較例１で得られたＬｉＭｎ_１．９５Ａｌ_０．０５Ｏ_４の写真である。

Claims

電解二酸化マンガン粒子と Mn置換金属塩水溶液とを前記電解二酸化マンガンに対して前記 Mn 置換金属塩水溶液が 5 〜 15wt ％となるように混合して前記電解二酸化マンガン粒子表面に前記 Mn 置換金属塩の薄膜を形成させ、該金属塩薄膜で被覆された電解二酸化マンガンを乾燥し引き続き 200 ℃以上の温度に加熱して金属塩を熱分解させることにより電解二酸化マンガン粒子表面および該粒子内部にサブミクロンオーダーのMn置換金属酸化物粒子を析出させ次いで、表面および内部に Mn 置換金属酸化物粒子を析出させた電解二酸化マンガン粒子と水酸化リチウムまたはリチウムを含む塩とを混合したのち焼成することによりLiMn_x-yM_yO₄（式中、M は Al 、 Ti 、 Ge 、 Fe 、 Cr 、 Zn および Ni から選んだ Mn 置換金属）を合成させることを特徴とする二次電池用リチウムマンガン複合酸化物の製造方法。