JP3702481B2 - Acicular manganese complex oxide, method for producing the same, and use thereof - Google Patents

Acicular manganese complex oxide, method for producing the same, and use thereof Download PDF

Info

Publication number
JP3702481B2
JP3702481B2 JP04792395A JP4792395A JP3702481B2 JP 3702481 B2 JP3702481 B2 JP 3702481B2 JP 04792395 A JP04792395 A JP 04792395A JP 4792395 A JP4792395 A JP 4792395A JP 3702481 B2 JP3702481 B2 JP 3702481B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium
composite oxide
manganese composite
acicular
manganese
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP04792395A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH08217451A (en
Inventor
岡田昌樹
吉田節夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tosoh Corp
Original Assignee
Tosoh Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tosoh Corp filed Critical Tosoh Corp
Priority to JP04792395A priority Critical patent/JP3702481B2/en
Publication of JPH08217451A publication Critical patent/JPH08217451A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3702481B2 publication Critical patent/JP3702481B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、新規なマンガン複合酸化物に関するものであって、詳しくは、針状粒子からなり、結晶構造がスピネル型で、化学式LiMx Mn2-X 4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5)で表される針状マンガン複合酸化物とその製造方法及びこの針状マンガン複合酸化物を正極活物質に使用するリチウム二次電池に関するものである。
【0002】
マンガン複合酸化物は、安価で、原料のマンガンが資源的にも豊富で、更に合成が容易であることから、リチウム二次電池用正極活物質材料の中で最も注目されている材料である。
【0003】
リチウム二次電池は、理論上、高エネルギー密度の電池が構成できることから、次世代を担う新型二次電池として、一部で既に実用化されたものも含めて、高性能化を目指した研究開発が活発に進められている。
【0004】
【従来の技術】
パーソナルユースのコードレス機器の普及に伴い、小型、軽量で、エネルギー密度の高い、リチウム二次電池の開発が強く要望されている。
【0005】
最近では、安全性確保を目的に、負極にリチウム金属やリチウム合金を使用せずに、炭素質材料や金属酸化物等のような、リチウムイオンを吸蔵放出可能な化合物を用いた、リチウムイオンタイプの二次電池の開発が積極的に進められている。このため、正極活物質にはリチウムを含有した化合物を用いることが必要となっている。
【0006】
現在、リチウムを含有した化合物として、基本骨格が岩塩構造で、リチウムと遷移金属が規則的に配列した層状構造を持つLiMO2 型酸化物(ここでMは遷移金属)が、注目されている。その中でも、リチウムコバルト酸化物(以下LiCoO2 と表記する。)及びリチウムニッケル酸化物(以下LiNiO2 と表記する。)は、4V級の電池電圧を示すことから、一部実用化を含めて活発に研究開発が進められている。
【0007】
しかし、LiCoO2 に関しては、コバルト原料が高価であること、LiNiO2 に関しては、合成が難しいという問題点が、既に指摘されている。
【0008】
上記2つの材料以外に4V級の電池電圧を示す材料としては、スピネル型構造のリチウムマンガンスピネル(以下LiMn2 4 と表記する。)が知られている。
【0009】
LiMn2 4 は合成が容易で、しかも、マンガン原料が資源的にも豊富で且つ安価であることから、LiCoO2 やLiNiO2 に代る材料として期待されている。
【0010】
LiMn2 4 はスピネル構造で、スピネル8aサイトをリチウムが、16dサイトをマンガンが、32eサイトを酸素が占めた正スピネルタイプの化合物である。
【0011】
言い換えると、立方最密充填酸素の四面体位置の1/8をリチウムが、八面体位置の1/2をマンガンが占めた構造を持つ。
【0012】
このLiMn2 4 をリチウム二次電池の正極活物質に用いた場合、約4Vの電圧で機能する領域と、約3Vの電圧で作動する領域のあることが明らかにされている( 小槻ら,第29回電池討論会講演要旨集,P135,1988年) 。
【0013】
約4Vの電圧で機能する領域では、LiMn2 4 の結晶格子中のリチウムイオンが、空の酸素八面体位置の16cサイトを介して結晶構造中のリチウム占有サイトを移動し、元の骨格構造の立方晶を維持した状態で構造を破壊すること無く出入りする反応が進む。
【0014】
これに対して、約3Vの電圧で機能する領域では、LiMn2 4 の結晶格子中の空の酸素八面体位置の16cサイトに、結晶構造の立方晶から正方晶への変化を伴って、リチウムイオンが出入りする反応が進む。
【0015】
上記2つの反応のうち、エネルギー密度の高いリチウム二次電池を構成するためには、約4Vの電圧を示す領域を利用することが重要である。
【0016】
約4Vの電圧を示す領域でLiMn2 4 を機能させた場合には、前述したように、結晶系の変化無しに、基本骨格の立方晶構造を維持した状態で充放電反応が進むことから、可逆的な反応が期待され、リチウム二次電池への適用の提案がこれまで数多く成されてきた。これらの提案によるLiMn2 4 では、エネルギー密度の高い二次電池が構成できず、未だ実用化迄には至っていない。
【0017】
約4Vの電圧を示す領域でLiMn2 4 を機能させた場合、立方晶構造を維持した状態で充放電反応が進むが、マンガンの酸化還元とリチウムイオンの出入りによって、若干ではあるが、結晶格子の膨張・収縮が起こる。
【0018】
本発明者らの検討によれば、LiMn2 4 は充放電のサイクル、つまり、この結晶格子の膨張・収縮による体積変化を繰り返すと、徐々にではあるが、局部的な結晶構造の崩壊、粒子の微細化、及び微細化に伴う導電性の低下、更には導電助剤(例えばアセチレンブラックやグラファイト等)との接触不良に起因する導電性の低下が起こり、このため、充放電サイクルに伴う容量の低下が起こる。
さらに、高い充放電レートで充放電を行った場合、約4Vの電圧を示す領域でLiMn2 4 を機能させるように放電電圧を規制していても、充放電を繰り返すことで、正極の導電性の低下等によって正極活物質の利用率が不均一となり、一部で約3Vの電圧を示す領域まで還元が進み、結晶構造の転移が起こり、上記導電性の低下が加速され、可逆性が著しく低下すると考えられる。
【0019】
以上の理由から、LiMn2 4 を正極として使用する高性能リチウム二次電池は、未だ実用化迄には至っていない。
【0020】
この問題点を解決する方法として、マンガンの一部を他の元素で置換する方法が提案されている。
【0021】
例えば、特開平3−219571号公報や、特開平4−160769号公報では、マンガンの一部をCo,Cr,Feの少なくとも一種類で置換したLiX Y Mn(2-Y) 4 (0.85≦x≦1.15,0.02≦y≦0.5) を提案している。
【0022】
これらの提案は、マンガンの一部をCo,Cr,Feで置換することで、格子定数を小さくさせ、結晶構造をより強固なものにすることで、結晶構造の破壊、すなわち放電容量の低下を防ぐことを目的としたものである。
【0023】
しかし、結晶構造をより強固なものにするということは、充放電反応による結晶格子の体積変化に対する柔軟性を低下させることになり、劣化速度を低下させることはできても、依然として放電容量の低下は防ぐことが困難である。
【0024】
さらに、これらの提案ではいづれも合成を900℃で行っており、この温度で得られる化合物の粒子は大きいことから、正極活物質に用いた場合には、充放電による粒子の微細化が進み易くなり、容量低下が起こり易い。
【0025】
一方、特開平5−36412号公報では、マンガンの一部をFe,Crの少なくとも一種類で置換したLiAX Mn(2-X) 4 (0.1≦x≦0.4)で、Feの場合には650℃以上800℃以下で、Crの場合には650℃以上850℃以下の温度で熱処理することを提案している。
【0026】
しかし、この提案では、マンガン原料にMn2 3 を使用しており、本発明者らの検討によれば、Mn2 3 を用いて650℃以上の温度で合成を行った場合には、得られる化合物の粒子径が大きく、充放電による粒子の微細化が進み易くなり、容量低下が起こり易い。
【0027】
以上のように、これまで提案されている、LiMn2 4 のマンガンの一部を他の元素で置換した化合物では、リチウム二次電池の正極活物質に用いた場合のサイクル特性が不十分であり、今までのところ実用化には至っていない。
【0028】
一方、パーソナルユースのコードレス機器の普及に伴い、小型、軽量で、エネルギー密度の高い、リチウム二次電池の開発が強く要望されている。
【0029】
現在までに、正極活物質にLiCoO2 を、負極に炭素質材料を、電解質に非水電解液を用いた、イオンタイプのリチウム二次電池が実用化されているが、民生用の小型電源やオンサイト型の電力貯蔵用電源として幅広く普及させるために、より安価で、より安定なリチウム二次電池の開発が望まれている。
【0030】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、新規な、LiMn2 4 のマンガンの一部を他の元素で置換した化合物とその製造方法を提案し、さらに、この化合物を正極活物質に用いた、サイクル特性の優れたマンガン系リチウム二次電池を提供することにある。
【0031】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決することを目的に鋭意検討を行った結果、針状粒子からなるγ−MnOOH又は針状粒子からなるβ−MnO2 と、リチウム化合物と、Ni,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上の金属材料との混合物を焼成することで、針状粒子からなり、結晶構造がスピネル型で、化学式LiMX Mn2-X 4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5)で表される新規なマンガン複合酸化物が合成できることを見いだした。さらに、これをリチウム二次電池の正極活物質に用いることで、従来にはない、サイクル特性の優れたマンガン系リチウム二次電池が構成できることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【0032】
【作用】
以下、本発明を具体的に説明する。
【0033】
本発明の、化学式LiMX Mn2-X 4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5)で表されるマンガン複合酸化物は、立方最密充填酸素の四面体位置の1/8をリチウムが、八面体位置の1/2をマンガンとNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上の金属とが占めた、スピネル構造のマンガン複合酸化物である。
【0034】
本発明のマンガン複合酸化物は、回折ピークの位置が高角側にシフトした、LiMn2 4 類似のX線回折パターンを示す。すなわち、結晶格子がLiMn2O4 より小さくなったマンガン複合酸化物である。
【0035】
本発明者らの検討によれば、置換金属の価数やイオンサイズによって、LiMn2 4 よりも結晶格子の小さなマンガン複合酸化物となる。
【0036】
マンガンの一部をNiで置換した場合、Niの酸化物としての安定相がNiOであることから、Niは+2価としてマンガンの一部と置換し、化合物中の+3価のマンガンが+4価に酸化されることで、結晶格子の収縮が生じる。
【0037】
Coで置換した場合は、Coの酸化物としての安定相がCoO又はCo3 4 あることから、Coの一部が+2価として、或いは+3価としてマンガンの一部と置換する。+2価として置換する場合は、+3価のマンガンが+4価に酸化されると効果によって、+3価として置換する場合は、マンガンよりもイオン半径の小さなCoで置換する効果によって、いずれかの場合及び両方の混合型の場合でも、結晶格子の収縮が生じる。
【0038】
Fe及びCrで置換した場合には、酸化物としての安定相がそれぞれFe2 3 及びCr2 3 であることから、それぞれ+3価としてマンガンの一部と置換する。マンガンよりもイオン半径の小さなFe及びCrで置換する効果によって結晶格子の収縮が生じる。
【0039】
以上の効果によって、結晶格子がLiMn2 4 より小さくなると考えられる。
【0040】
さらに、以上のことから置換量による結晶格子の収縮の割合は、置換する金属材料の種類や置換量によってそれぞれ異なる。
【0041】
なお、Ni,Co,Fe,Cr以外にも、マンガンよりもイオン半径の小さな金属や、+2価で安定な酸化物を形成する金属があるが、イオン半径が小さすぎる場合にはリチウムサイトに侵入すること、+2価であってもイオン半径が大きすぎる場合には、置換反応が起こりにくいことから、今回提案するNi,Co,Fe,Crが最も優れた置換金属であると考えられる。
【0042】
本発明のマンガン複合酸化物は、結晶格子がLiMn2 4 より小さい化合物であるが、結晶格子が小さくなることで、次のような効果があると考えられる。
マンガンの一部をNi,Co,Fe,Crの少なくとも一種類で置換することは、基本的に化合物中の+3価のマンガンの量を減少させることになり、約4Vの電圧で機能させる場合、酸化還元反応に関与するマンガンの量が少なくなること、言い換えれば、充放電反応量を制限することで結晶格子の膨張・収縮量が小さくなり、サイクル特性が向上すると考えられる。
【0043】
さらに、本発明者らの検討によれば、マンガンの一部をNi,Co,Fe,Crの少なくとも一種類で置換することで、結晶構造が均一に発達した化合物となり、このため、高い充放電レートで充放電を行った場合でも充放電反応が活物質全体で均一に進み、約4Vの電圧を示す領域で機能させるように放電電圧を規制しておけば、約3Vの電圧を示す領域まで還元反応が進むことなく、可逆的に機能するようになる。
【0044】
結晶格子の大きさは、8.24オングストローム未満であることが好ましく、さらに詳しくは、8.24オングストローム未満で8.10オングストローム以上であることがより好ましい。
【0045】
何故ならば、結晶格子の大きさが8.24オングストローム以上では、リチウム二次電池の正極活物質に用いた場合、充放電に伴う結晶格子の膨張・収縮が大きくなり、結晶構造の崩壊が促進する。
【0046】
一方、結晶格子が8.24オングストローム未満だと、充放電に伴う結晶格子の膨張・収縮は小さくなり、サイクル特性が向上する。
【0047】
結晶格子があまり小さくなりすぎると、リチウムの固相内拡散が困難な状態になるために、充放電に伴って結晶格子の破壊が起こり易くなる。
【0048】
本発明者らの検討によれば、高出力タイプのリチウム二次電池を構成する場合には、8.10オングストローム以上が好ましいことが分った。
【0049】
Ni,Co,Fe,Crの少なくとも一種類で置換する際の置換量は、化学式LiMX Mn2-X 4 で表した場合のxの値が、0以上で0.5以下であることが必要で、さらに詳しくは、0.05以上で0.2以下がより好ましい。
【0050】
何故ならば、xの値が0.5を越えた場合、先に述べたように、得られる化合物の結晶格子が小さくなりすぎると共に、スピネル単相の化合物の合成が困難になる。
【0051】
また、高容量のリチウム二次電池を構成する場合には、充放電容量とサイクル特性の両方を両立させる必要から、xの値を0.05以上で0.2以下とすることがより望ましい。
【0052】
本発明の、化学式LiMX Mn2-X 4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5)で表されるマンガン複合酸化物は、針状の粒子形態を持つことを必須とする。
【0053】
詳細については不明だが、針状粒子であることから、リチウム二次電池の正極活物質に用いた場合、充放電に伴う結晶格子の膨張・収縮を粒子間で吸収し易くなり、導電助剤との接触不良による導電性の低下を抑制できると考えられる。
【0054】
粒子形状は針状であれば特に制限されないが、さらに詳しくは、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子がより好ましい。
【0055】
短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子をリチウム二次電池の正極活物質に用いた場合、充放電に伴う結晶格子の膨張・収縮を粒子間でさらに吸収し易くなる。
【0056】
なお、本発明者らがここで使用する相当径とは、1個の粒子を水平面上に安定に静置させ、互いに直交する3方向の軸の長さで粒子の形状を表示するHeywoodの定義( 荒井康生著、粉体の材料化学、培風館参照) に基づくものである。
【0057】
本発明の、化学式LiMX Mn2-X 4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5) で表されるマンガン複合酸化物の表面積の大きさは特に制限されないが、N2 ガス吸着法によるBET比表面積の値が、5m2 /g以上が好ましく、さらに詳しくは、5m2 /g以上で10m2 /g以下の範囲がより好ましい。
【0058】
BET比表面積の値が5m2 /g以上の化合物をリチウム二次電池の正極活物質に用いると、導電助剤及び電解液との接触が良くなり、高い充放電レートで充放電を行った場合でも充放電反応が活物質全体で均一に進み、高容量タイプでサイクル特性の優れた二次電池が構成できる。
【0059】
正極活物質としての充填性を考慮すると、BET比表面積の値を10m2 /g以下に制限することで、正極材料としての充填性が保つことができ、高容量タイプの二次電池が構成可能となる。
【0060】
本発明のマンガン複合酸化物の製造方法において、針状のγ−MnOOH又は針状のβ−MnO2 をマンガン源として用いることが必須である。
【0061】
針状粒子からなるγ−MnOOH又は針状粒子からなるβ−MnO2 をマンガン源として用いることで、反応が均一に進み、粒子成長が顕著に抑制されるとともに、組成均一なマンガン複合酸化物が合成可能となる。
【0062】
この反応の機構ついての詳細は明らかではないが、以下のように考えている。
本発明で用いる針状粒子からなるγ−MnOOHは、酸素存在下では約300℃以上の温度で容易にルチル型結晶構造のβ型二酸化マンガンに転移する。この転移は容易にかつ速やかに起こるために、粒子形状は針状粒子を保ったままとなる。
【0063】
β型の結晶構造を有する二酸化マンガンは、(1×1)のチャンネル構造を持ち、リチウムの結晶内部への拡散経路が確保されていることから、リチウム化合物と反応させた場合、反応が容易に進行すると考えられる。さらに、理由は不明だが、粒子形状が針状であることから、金属材料との複合化も容易に進行し、均一組成のマンガン複合酸化物が生成し易いと考えられる。
【0064】
焼成の際に起こるマンガン酸化物の熱相転移に関しては、ルチル構造からスピネル骨格構造への変化が非常に速いことが、M.M.Thackerayらによって報告されており( Revue De Chimie Minerale vol.21,55(1984)、このことからも焼成が反応が容易に進行すると考えられる。
【0065】
また、反応が進みやすいことから、粒子表面と内部でのマンガンと金属とリチウムの組成ずれに起因する粒子の以上成長が抑制され、出発マンガン種の針状の粒子形状を保った状態で反応が進むと考えられる。
【0066】
以上述べたことの相乗効果から、容易に、粒子形状が針状で組成が均一なマンガン複合酸化物が生成すると考えられる。
【0067】
出発マンガン原料に針状粒子からなるβ−MnO2 を用いた場合にも、上記、針状粒子からなるγ−MnOOHを用いた場合と同様な効果が認められ、粒子形状が針状で組成が均一なマンガン複合酸化物が生成する。
【0068】
なお、短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さ1μm以下の相当径を有する針状粒子からなるγ−MnOOH又はβ−MnO2 を、マンガンの出発原料に用いた場合には、さらに反応が進みやすく、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さ5μm以下の相当径を有する針状粒子からなるマンガン複合酸化物が合成可能となる。前述したように、このマンガン複合酸化物をリチウム二次電池の正極活物質に用いると、よりサイクル特性の優れた電池が構成可能となり、より好ましい。
【0069】
本発明で用いる針状粒子からなるγ−MnOOHは、例えば、Owen Brickerが報告している方法、すなわち水酸化マンガン(Mn(OH)2 )を過酸化水素(H2 2 )で酸化する方法(The American Mineralogist vol.50,p.1296(1965))や、K.Matsukiらが報告している方法(Electrochimica Actavol.31,p.13(1986))、すなわち、20℃以下の温度で、硫酸マンガン(MnSO4 )と過酸化水素の混合液にアンモニア(NH4 OH)を加える方法で得ることができる。
【0070】
本発明で用いる針状粒子からなるβ−MnO2 は、特開昭63−30323号公報に開示されている方法を用いて製造することができる。
【0071】
本発明の、針状粒子からなり、結晶構造がスピネル型で、化学式LiMX Mn2-X 4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5)で表される針状マンガン複合酸化物の製造に用いるリチウム材料は、リチウム及び/又はリチウム化合物であれば如何なるものを用いてもよい。例えば、リチウム金属、水酸化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウム、ヨウ化リチウム、硝酸リチウム、シュウ酸リチウム、アルキルリチウム等が例示されるが、好ましくは、500℃以下の温度で溶融するもの、その中でも、特に硝酸リチウムがより好ましい。
【0072】
本発明の、針状粒子からなり、結晶構造がスピネル型で、化学式LiMx Mn2-X 4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<X≦0.5)で表される針状マンガン複合酸化物の製造に用いる金属材料は、金属及び/又は金属化合物であれば如何なるものを用いてもよい。例えば、金属、金属の水酸物、金属の酸化物、金属の炭酸塩、金属の硝酸塩、有機金属錯体等が例示されるが、好ましくは、500℃以下の温度で溶融するもの、その中でも、特に金属の硝酸塩がより好ましい。
【0073】
針状のγ−MnOOH又は針状のβ−MnO2 とリチウム化合物と、Ni,
Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上の金属材料の混合方法は、特に制限されるものではなく、固相及び/または液相で混合を行えばよい。例えば、上記原料の粉末を、乾式及び/または湿式で混合する方法や、リチウム化合物と金属材料を溶解及び/又は懸濁した溶液中に針状のγ−MnOOH又は針状のβ−MnO2 を加えて撹拌することで混合する方法が例示される。
【0074】
針状のγ−MnOOH又は針状のβ−MnO2 とリチウム化合物と、Ni,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上の金属材料の混合物を焼成するマンガン複合酸化物の焼成方法は、特に制限されるものではないが、焼成を、大気中及び/または酸素中で500℃以下の温度で第1の熱処理を行った後に、500℃を越える温度以上850℃以下の温度で第2の熱処理を行うことが好ましい。
【0075】
本発明者らの検討によれば、500℃を境界にして、低温側では複合化反応が進み、高温側ではスピネル構造の発達が起こる。従って、始めに第1の熱処理で十分に複合化反応を進めた後に、第2の熱処理で結晶成長反応を行うことで、より組成が均一でスピネル構造の発達したマンガン複合酸化物が合成できる。さらに、第1の熱処理を大気中及び/または酸素中で行うことで、複合化反応がより促進される。
【0076】
なお、第2の熱処理が850℃を越える温度では、粒子成長やマンガンの還元反応が起こりやすくなることから、850℃以下で行うことが好ましい。
【0077】
なお、焼成時間に関しては特に制限されるものではないが、第1の熱処理及び第2の熱処理とも10時間以上が好ましい。
【0078】
本発明のリチウム二次電池の負極としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムを吸蔵放出可能な化合物を用いることができる。リチウム合金としては、例えばリチウム/スズ合金、リチウム/アルミニウム合金、リチウム/鉛合金等が例示される。また、リチウムを吸蔵放出可能な化合物としては、グラファイトや黒鉛等の炭素質材料や、FeO、Fe2 3 、Fe3 4 等の酸化鉄、CoO、Co2 3 、Co3 4 等の酸化コバルト等の酸化物が例示される。
【0079】
また、本発明のリチウム二次電池の電解質は、特に制限されないが、例えば、炭酸プロピレン、炭酸ジエチル等のカーボネート類や、スルホラン、ジメチルスルホキシド等のスルホラン類、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、ジメトキシエタン等のエーテル類の少なくとも1種類以上の有機溶媒中に、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム等のリチウム塩の少なくとも1種類以上を溶解したものや、無機系及び有機系のリチウムイオン導電性の固体電解質等を用いることができる。本発明で得られたマンガン複合酸化物正極活物質に用いて、図1に示す電池を構成した。
【0080】
図中において、1:正極用リード線、2:正極集電用メッシュ、3:正極、4:セパレータ、5:負極、6:負極集電用メッシュ、7:負極用リード線、8:容器、を示す。
【0081】
以下に、本発明の具体例として実施例を示すが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【0082】
【実施例】
なお、本発明の実施例及び比較例におけるX線回折測定、粒子構造の観察、及び比表面積の測定は、以下の方法で行った。
【0083】

Figure 0003702481
【0084】
また、結晶軸の長さは、各化合物のX線回折測定データから、WPPD法( Whole−Powder−Pattern Decomposition Method) によって、決定した。
【0085】
さらに、組成分析はICP発光分析法で測定した。
【0086】
[マンガン複合酸化物の製造]
実施例1
(LiCo0.1 Mn1.9 4 の製造)
実施例1として、LiCo0.1 Mn1.9 4 を、以下の方法により製造した。
硝酸リチウム(試薬特級)と、短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さが1μm以下の相当径を有する、針状粒子からなるγ−MnOOH(東ソー株式会社製)と硝酸コバルト6水和物(試薬特級)をモル比でLi:Mn:Coが1:1.9:0.1になるように混合した後、大気中で450℃の温度で24時間、焼成した。
【0087】
次に、これを室温まで降温した後に、乳鉢で粉砕、混合した後、大気中で650℃の温度で24時間、焼成した。
【0088】
得られた化合物のX線回折パターンを図2に、粒子構造の観察結果を図3に、化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
【0089】
【表1】
Figure 0003702481
【0090】
解析の結果、得られた化合物は、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子からなり、結晶軸の長さが8.217オングストローム、BET比表面積6.5m2 /gの、LiCo0.1 Mn1. 9
O3.9 で表される、スピネル構造のマンガン複合酸化物であることが分った。
【0091】
実施例2
(LiCo0.2 Mn1.8 4 の製造)
実施例2として、モル比でLi:Mn:Coが1:1.8:0.2になるように混合した以外は、実施例1と同様にして製造を行った。
【0092】
解析の結果、得られた化合物は、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子からなる、スピネル構造のマンガン複合酸化物であった。
【0093】
化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
【0094】
実施例3
(LiCo0.3 Mn1.7 4 の製造)
実施例3として、マンガン原料に、短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さが1μm以下の相当径を有する、針状粒子からなるβ−MnO2 を用いて、モル比でLi:Mn:Coが1:1.7:0.3になるように混合し、第2の焼成温度を750℃にして、実施例1と同様にして製造を行った。
【0095】
なお、針状粒子からなるβ−MnO2 は以下の方法で作成した。
【0096】
短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さが1μm以下の相当径を有する、針状粒子からなるγ−MnOOH( 東ソー株式会社製) の100gと濃硝酸(比重=1.3)10ミリリットルとを混合し、200℃の温度で8時間熱処理を行った。生成物を乳鉢で解砕し、熱水洗した。X線回折測定から、この生成物はβ−MnO2 であると同定された。さらに、粒子構造の観察の結果、短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さが1μm以下の相当径を有する、針状粒子であった。
【0097】
製造したマンガン複合酸化物の解析の結果、得られた化合物は、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子からなる、スピネル構造のマンガン複合酸化物であった。
【0098】
化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
【0099】
実施例4
(LiNi0.1 Mn0.9 4 の製造)
実施例4として、LiNi0.1 Mn1.9 4 を、以下の方法により製造した。
硝酸リチウム(試薬特級)と、短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さが1μm以下の相当径を有する、針状粒子からなるγ−MnOOH(東ソー株式会社製)と硝酸ニッケル6水和物(試薬特級)をモル比でLi:Mn:Niが1:1.9:0.1になるように混合した後、大気中で450℃の温度で24時間、焼成した。
【0100】
次に、これを室温まで降温した後に、乳鉢で粉砕、混合した後、大気中で650℃の温度で24時間、焼成した。
【0101】
得られた化合物のX線回折パターンを図2に、粒子構造の観察結果を図4に、化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
解析の結果、得られた化合物は、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子からなり、結晶軸の長さが8.228オングストローム、BET比表面積6.3m2 /gの、LiNi0.1 Mn1.9O4.0 で表される、スピネル構造のマンガン複合酸化物であることが分った。
【0102】
実施例5
(LiNi0.3 Mn1.7 4 の製造)
実施例5として、モル比でLi:Mn:Niが1:1.7:0.3になるように混合した以外は、実施例4と同様にして製造を行った。
【0103】
解析の結果、得られた化合物は、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子からなる、スピネル構造のマンガン複合酸化物であった。
【0104】
化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
【0105】
実施例6
(LiFe0.1 Mn1.9 4 の製造)
実施例6として、LiFe0.1 Mn1.9 4 を、以下の方法により製造した。
硝酸リチウム( 試薬特級) と、短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さが1μm以下の相当径を有する、針状粒子からなるβ−MnO2 と硝酸鉄の9水和物(試薬特級)をモル比でLi:Mn:Feが1:1.9:0.1になるように混合した後、大気中で450℃の温度で24時間、焼成した。
【0106】
次に、これを室温まで降温した後に、乳鉢で粉砕、混合した後、大気中で850℃の温度で24時間、焼成した。
【0107】
得られた化合物のX線回折パターンを図2に、粒子構造の観察結果を図5に、化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
解析の結果、得られた化合物は、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子からなり、結晶軸の長さが8.207オングストローム、BET比表面積7.2m2 /gの、LiFe0.1 Mn1. 9O4 で表される、スピネル構造のマンガン複合酸化物であることが分った。
【0108】
実施例7
(LiCr0.2 Mn1.9 4 の製造)
実施例7として、LiCr0.2 Mn1.8 4 を、以下の方法により製造した。
硝酸リチウム( 試薬特級) と、短軸径が1μm以下、長軸径が5μm以下、高さが1μm以下の相当径を有する、針状粒子からなるβ−MnO2 と硝酸クロムの9水和物(試薬特級)をモル比でLi:Mn:Crが1:1.8:0.2になるように混合した後、大気中で450℃の温度で24時間、焼成した。
【0109】
次に、これを室温まで降温した後に、乳鉢で粉砕、混合した後、大気中で850℃の温度で24時間、焼成した。
【0110】
得られた化合物のX線回折パターンを図2に、粒子構造の観察結果を図6に、化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
解析の結果、得られた化合物は、短軸径が5μm以下、長軸径が10μm以下、高さが5μm以下の相当径を有する針状粒子からなり、結晶軸の長さが8.237オングストローム、BET比表面積8.2m2 /gの、LiCr0.2 Mn1.8O4 で表される、スピネル構造のマンガン複合酸化物であることが分った。
【0111】
比較例1
(LiCo0.2 Mn1.8 4 の製造)
比較例1として、LiCo0.2 Mn1.8 4 を、以下の方法により製造した。
炭酸リチウム(試薬特級)と、Mn3 4 (四三酸化マンガン:試薬特級) と塩基性炭酸コバルト(試薬特級)をモル比でLi:Mn:Coが1:1.8:0.2になるように混合した後、大気中で900℃の温度で10時間、焼成した。
【0112】
得られた化合物のX線回折パターンを図2に、粒子構造の観察結果を図7に、化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
解析の結果、得られた化合物は、一辺の長さが1μm以上の正八面体針状粒子からなり、結晶軸の長さが8.222オングストローム、BET比表面積0.6m2 /gの、LiCo0.2 Mn1.8 3.8 で表される、スピネル構造のマンガン複合酸化物であることが分った。
【0113】
比較例2
(LiCo0.1 Mn1.9 4 の製造)
比較例2として、LiCo0.1 Mn1.9 4 を、以下の方法により製造した。
炭酸リチウム(試薬特級)と、Mn2 3 (三二酸化マンガン:試薬特級)とCo2 3 (三二酸化コバルト:試薬特級)をモル比でLi:Mn:Coが1:1.9:0.1になるように混合した後、大気中で650℃の温度で6時間、焼成した。
【0114】
次に、これを室温まで降温した後に、乳鉢で粉砕、混合した後、大気中で850℃の温度で24時間、焼成した。
【0115】
得られた化合物のX線回折パターンを図2に、粒子構造の観察結果を図8に、化学分析結果、結晶軸の長さ、及びBET比表面積の測定結果を表1に示した。
解析の結果、得られた化合物は約0.5μmの粒子からなり、結晶軸の長さが8.229オングストローム、BET比表面積0.7m2 /gの、LiCo0.1M1.9 4 で表されるスピネル構造のマンガン複合酸化物であることが分った。
【0116】
[電池の構成]
実施例1〜7及び比較例1〜2で製造したマンガン複合酸化物を、導電剤のポリテトラフルオロエチレンとアセチレンブラックとの混合物(商品名:TAB−2)を、重量比で2:1の割合で混合した。混合物の75mgを1ton/cm2 圧力で、20mmφのメッシュ(SUS 316)上にペレット状に成型した後、200℃で5時間、減圧乾燥処理を行った。
【0117】
これを、図1の3の正極に用いて、図1の5の負極にはリチウム箔( 厚さ0.2mm) から切り抜いたリチウム片を用いて、電解液にはプロピレンカーボネートに過塩素酸リチウムを1mol/dm3 の濃度で溶解したものを図1の4のセパレータに含浸させて、断面積2.5cm2 の図1に示した電池を構成した。
【0118】
[電池性能の評価]
上記方法で作成した電池を用いて、1.0mA/cm2 の一定電流で、電池電圧が4.5Vから3.5Vの間で充放電を繰り返した。
【0119】
1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合、即ち容量維持率を、表1に示した。
【0120】
実施例1〜7で製造したマンガン複合酸化物は、いずれも95%以上の高い維持率を示したが、比較例1〜2で製造したマンガン複合酸化物は、いずれも90%以下であった。
【0121】
【発明の効果】
以上述べてきたとおり、本発明者らの検討によって、針状粒子からなるγ−MnOOH又は針状粒子からなるβ−MnO2 と、リチウム化合物と、Ni,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上の金属材料との混合物を焼成することで、針状粒子からなり、結晶構造がスピネル型で、化学式LiMX Mn2-XO4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5)で表される新規なマンガン複合酸化物が合成できることを見いだし、さらに、これをリチウム二次電池の正極活物質に用いることで、従来にはない、サイクル特性の優れたマンガン系リチウム二次電池が構成できることを見いだした。
【0122】
リチウム二次電池正極活物質に適用可能なマンガン系正極材料を見いだしたことは、産業上有益な知見である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例及び比較例で構成した電池の実施態様を示す断面図である。
【符号の説明】
1 正極リード線
2 正極集電用メッシュ
3 正極
4 セパレータ
5 負極
6 負極集電用メッシュ
7 負極用リード線
8 容器
【図2】実施例1、実施例4、実施例6から7、比較例1から2で製造したマンガン複合酸化物の、X線回折図を示す図である。
【図3】実施例1で製造したマンガン複合酸化物の粒子構造を示す写真である。
【図4】実施例4で製造したマンガン複合酸化物の粒子構造を示す写真である。
【図5】実施例6で製造したマンガン複合酸化物の粒子構造を示す写真である。
【図6】実施例7で製造したマンガン複合酸化物の粒子構造を示す写真である。
【図7】比較例1で製造したマンガン複合酸化物の粒子構造を示す写真である。
【図8】比較例2で製造したマンガン複合酸化物の粒子構造を示す写真である。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a novel manganese composite oxide, and more specifically, is composed of acicular particles, the crystal structure is spinel type, and the chemical formula LiMxMn2-XOFour(Wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe, and Cr, and 0 <x ≦ 0.5), a method for producing the acicular manganese composite oxide, and the acicular manganese composite The present invention relates to a lithium secondary battery using an oxide as a positive electrode active material.
[0002]
Manganese composite oxides are the material that attracts the most attention among the positive electrode active material materials for lithium secondary batteries because they are inexpensive, abundant in raw material manganese, and easy to synthesize.
[0003]
Lithium secondary batteries can theoretically constitute batteries with high energy density, so R & D aimed at higher performance, including some that have already been put into practical use as new secondary batteries that will lead the next generation Is being actively promoted.
[0004]
[Prior art]
With the widespread use of cordless devices for personal use, there is a strong demand for the development of lithium secondary batteries that are small, lightweight, and have high energy density.
[0005]
Recently, for the purpose of ensuring safety, lithium ion type using a compound capable of occluding and releasing lithium ions, such as carbonaceous materials and metal oxides, without using lithium metal or lithium alloy for the negative electrode Development of secondary batteries is actively underway. For this reason, it is necessary to use a compound containing lithium as the positive electrode active material.
[0006]
Currently, as a lithium-containing compound, LiMO has a layered structure in which the basic skeleton has a rock salt structure and lithium and transition metals are regularly arranged.2A type oxide (where M is a transition metal) has attracted attention. Among them, lithium cobalt oxide (hereinafter referred to as LiCoO)2Is written. ) And lithium nickel oxide (hereinafter LiNiO)2Is written. ) Shows a battery voltage of 4V class, and research and development are being actively promoted including some practical applications.
[0007]
However, LiCoO2With regard to the above, the fact that the cobalt raw material is expensive, LiNiO2In regard to, the problem that synthesis is difficult has already been pointed out.
[0008]
In addition to the above two materials, a material exhibiting a 4V class battery voltage may be a spinel type lithium manganese spinel (hereinafter referred to as LiMn).2OFourIs written. )It has been known.
[0009]
LiMn2OFourIs easy to synthesize, and since the manganese raw material is abundant in resources and inexpensive, LiCoO2And LiNiO2It is expected as an alternative material.
[0010]
LiMn2OFourIs a spinel structure in which the spinel 8a site is occupied by lithium, the 16d site is occupied by manganese, and the 32e site is occupied by oxygen.
[0011]
In other words, it has a structure in which 1/8 of the tetrahedral position of cubic close-packed oxygen is occupied by lithium and 1/2 of the octahedral position is occupied by manganese.
[0012]
This LiMn2OFourIs used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries, it has been clarified that there are regions that operate at a voltage of about 4V and regions that operate at a voltage of about 3V (Ogura et al., 29th Battery Discussion Meeting Abstracts, P135, 1988).
[0013]
In the region that functions at a voltage of about 4 V, LiMn2OFourWithout breaking the structure in a state where the lithium ions in the crystal lattice move through the lithium-occupied sites in the crystal structure via the 16c sites at the empty oxygen octahedron position and maintain the cubic structure of the original skeleton structure Incoming and outgoing reactions progress.
[0014]
On the other hand, in a region that functions at a voltage of about 3 V, LiMn2OFourA reaction in which lithium ions enter and exit the 16c site of the empty oxygen octahedron position in the crystal lattice with a change of the crystal structure from cubic to tetragonal.
[0015]
Of the two reactions described above, in order to construct a lithium secondary battery having a high energy density, it is important to use a region showing a voltage of about 4V.
[0016]
LiMn in the region showing a voltage of about 4V2OFourAs described above, the charge / discharge reaction proceeds in a state in which the cubic structure of the basic skeleton is maintained without changing the crystal system, as described above. Many proposals for application to batteries have been made so far. LiMn by these proposals2OFourHowever, a secondary battery having a high energy density cannot be constructed and has not yet been put into practical use.
[0017]
LiMn in the region showing a voltage of about 4V2OFourWhen the is functioned, the charge / discharge reaction proceeds in a state where the cubic structure is maintained, but due to the oxidation / reduction of manganese and the entry / exit of lithium ions, the crystal lattice expands and contracts slightly.
[0018]
According to the study by the present inventors, LiMn2OFourIs a charge / discharge cycle, that is, when the volume change due to expansion / contraction of the crystal lattice is repeated, the local crystal structure collapses, the particles become finer, and the conductivity decreases with the finer. Furthermore, the conductivity is reduced due to poor contact with the conductive additive (for example, acetylene black, graphite, etc.), and therefore the capacity is reduced due to the charge / discharge cycle.
Furthermore, when charging / discharging at a high charge / discharge rate, LiMn is observed in a region showing a voltage of about 4V2OFourEven if the discharge voltage is regulated so as to function, the charge / discharge is repeated, so that the utilization factor of the positive electrode active material becomes non-uniform due to a decrease in the conductivity of the positive electrode and the like, and a region showing a voltage of about 3 V in part It is considered that the reduction proceeds until the crystal structure transition occurs, the decrease in the conductivity is accelerated, and the reversibility is significantly decreased.
[0019]
For the above reasons, LiMn2OFourA high-performance lithium secondary battery using as a positive electrode has not yet been put into practical use.
[0020]
As a method for solving this problem, a method of substituting a part of manganese with another element has been proposed.
[0021]
For example, in JP-A-3-219571 and JP-A-4-160769, Li is obtained by substituting a part of manganese with at least one of Co, Cr, and Fe.XMYMn(2-Y)OFour(0.85 ≦ x ≦ 1.15, 0.02 ≦ y ≦ 0.5) is proposed.
[0022]
In these proposals, by replacing a part of manganese with Co, Cr, and Fe, the lattice constant is reduced and the crystal structure is strengthened, so that the crystal structure is destroyed, that is, the discharge capacity is reduced. The purpose is to prevent.
[0023]
However, strengthening the crystal structure reduces the flexibility of the volume change of the crystal lattice due to the charge / discharge reaction, and although the deterioration rate can be reduced, the discharge capacity still decreases. Is difficult to prevent.
[0024]
Furthermore, in all of these proposals, the synthesis is performed at 900 ° C., and the particles of the compound obtained at this temperature are large. Therefore, when used as a positive electrode active material, the particles are easily refined by charge / discharge. Therefore, the capacity is likely to decrease.
[0025]
On the other hand, in JP-A-5-36412, LiA in which a part of manganese is substituted with at least one of Fe and Cr.XMn(2-X)OFour(0.1 ≦ x ≦ 0.4), and in the case of Fe, heat treatment is proposed at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C., and in the case of Cr, heat treatment is performed at a temperature of 650 ° C. to 850 ° C.
[0026]
However, in this proposal, the manganese raw material is Mn2OThreeAccording to the study by the present inventors, Mn2OThreeWhen the synthesis is carried out at a temperature of 650 ° C. or higher, the particle size of the resulting compound is large, and the particles are easily refined by charge / discharge, and the capacity is likely to decrease.
[0027]
As described above, LiMn, which has been proposed so far2OFourA compound obtained by substituting a part of manganese with other elements has insufficient cycle characteristics when used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and has not been put into practical use so far.
[0028]
On the other hand, with the widespread use of cordless devices for personal use, there is a strong demand for development of lithium secondary batteries that are small, light, and have high energy density.
[0029]
To date, LiCoO has been used as the positive electrode active material.2Ion-type lithium secondary batteries using a carbonaceous material for the negative electrode and a non-aqueous electrolyte for the electrolyte have been put into practical use, but they are widely used as consumer power sources and on-site power storage power sources. In order to make it popular, development of a cheaper and more stable lithium secondary battery is desired.
[0030]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to provide a novel LiMn2OFourProposing a compound in which a part of manganese is substituted with another element and a method for producing the same, and further providing a manganese-based lithium secondary battery having excellent cycle characteristics using this compound as a positive electrode active material .
[0031]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies aimed at solving the above-mentioned problems, the present inventors have found that γ-MnOOH composed of acicular particles or β-MnO composed of acicular particles.2And a mixture of a lithium compound and at least one metal material selected from Ni, Co, Fe, and Cr to form needle-like particles, the crystal structure is spinel, and the chemical formula LiMXMn2-XOFourIt has been found that a novel manganese composite oxide represented by (wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe, Cr and 0 <x ≦ 0.5) can be synthesized. Furthermore, by using this as a positive electrode active material for a lithium secondary battery, it has been found that a manganese-based lithium secondary battery with excellent cycle characteristics, which has not been heretofore, can be constructed, and the present invention has been completed.
[0032]
[Action]
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
[0033]
The chemical formula LiM of the present inventionXMn2-XOFour(Wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe, and Cr, and 0 <x ≦ 0.5), the manganese composite oxide represented by the tetrahedral position of cubic close-packed oxygen This is a manganese composite oxide having a spinel structure in which 1/8 is occupied by lithium and 1/2 of the octahedral position is occupied by manganese and at least one metal selected from Ni, Co, Fe, and Cr.
[0034]
The manganese composite oxide of the present invention has a LiMn whose diffraction peak position is shifted to the high angle side.2OFourSimilar X-ray diffraction patterns are shown. That is, the crystal lattice is LiMn2O4This is a smaller manganese composite oxide.
[0035]
According to the inventors' investigation, depending on the valence and ion size of the substituted metal, LiMn2OFourIt becomes a manganese complex oxide having a smaller crystal lattice.
[0036]
When a part of manganese is substituted with Ni, the stable phase as an oxide of Ni is NiO. Therefore, Ni substitutes a part of manganese as +2 valence, and +3 valent manganese in the compound becomes +4 valence. Oxidation causes shrinkage of the crystal lattice.
[0037]
When substituted with Co, the stable phase as an oxide of Co is CoO or Co.ThreeOFour soFor this reason, a part of Co is replaced with a part of manganese as +2 or +3. In the case of substitution as +2 valence, the effect is obtained when +3 valence manganese is oxidized to +4 valence, and in the case of substitution as +3 valence, the effect of substitution with Co having a smaller ionic radius than manganese, In both mixed types, crystal lattice shrinkage occurs.
[0038]
When substituted with Fe and Cr, the stable phase as an oxide is Fe2OThreeAnd Cr2OThreeTherefore, each of them is substituted with a part of manganese as +3 valence. Shrinkage of the crystal lattice occurs due to the effect of substitution with Fe and Cr having an ionic radius smaller than that of manganese.
[0039]
Due to the above effects, the crystal lattice becomes LiMn.2OFourIt will be smaller.
[0040]
Furthermore, from the above, the rate of crystal lattice shrinkage due to the amount of substitution varies depending on the type of metal material to be substituted and the amount of substitution.
[0041]
In addition to Ni, Co, Fe, and Cr, there are metals with smaller ionic radii than manganese and metals that form +2 valent and stable oxides, but if the ionic radius is too small, they penetrate into the lithium site. In addition, even if it is +2 valence, if the ion radius is too large, the substitution reaction is unlikely to occur. Therefore, Ni, Co, Fe, and Cr proposed this time are considered to be the most excellent substitution metals.
[0042]
The manganese composite oxide of the present invention has a crystal lattice of LiMn2OFourAlthough it is a smaller compound, it is considered that the following effects can be obtained by reducing the crystal lattice.
Substituting a part of manganese with at least one of Ni, Co, Fe, and Cr basically reduces the amount of trivalent manganese in the compound. When functioning at a voltage of about 4 V, By reducing the amount of manganese involved in the oxidation-reduction reaction, in other words, by limiting the amount of charge / discharge reaction, it is considered that the amount of expansion / contraction of the crystal lattice is reduced and the cycle characteristics are improved.
[0043]
Furthermore, according to the study by the present inventors, by replacing a part of manganese with at least one of Ni, Co, Fe, and Cr, a compound having a uniformly developed crystal structure is obtained. Even when charging / discharging at a rate, the charge / discharge reaction proceeds uniformly throughout the active material, and if the discharge voltage is regulated so that it functions in a region showing a voltage of about 4V, the region showing a voltage of about 3V is reached. It will function reversibly without a reduction reaction.
[0044]
The size of the crystal lattice is preferably less than 8.24 angstroms, and more specifically, less than 8.24 angstroms and more preferably 8.10 angstroms or more.
[0045]
This is because when the crystal lattice size is 8.24 angstroms or more, when used as the positive electrode active material of a lithium secondary battery, the crystal lattice expands and contracts due to charge / discharge, and the collapse of the crystal structure is promoted. To do.
[0046]
On the other hand, if the crystal lattice is less than 8.24 angstroms, the expansion / contraction of the crystal lattice accompanying charge / discharge is reduced, and the cycle characteristics are improved.
[0047]
If the crystal lattice becomes too small, it becomes difficult for lithium to diffuse into the solid phase, and therefore, the crystal lattice is easily broken along with charge and discharge.
[0048]
According to the study by the present inventors, it was found that when a high-power type lithium secondary battery is configured, 8.10 angstroms or more is preferable.
[0049]
The substitution amount at the time of substitution with at least one of Ni, Co, Fe, and Cr is expressed by the chemical formula LiM.XMn2-XOFourThe value of x in the case of being expressed by the formula is required to be 0 or more and 0.5 or less, and more specifically 0.05 or more and 0.2 or less is more preferable.
[0050]
This is because when the value of x exceeds 0.5, as described above, the crystal lattice of the resulting compound becomes too small, and the synthesis of the spinel single-phase compound becomes difficult.
[0051]
When a high-capacity lithium secondary battery is configured, it is more preferable that the value of x is 0.05 or more and 0.2 or less because it is necessary to achieve both charge / discharge capacity and cycle characteristics.
[0052]
The chemical formula LiM of the present inventionXMn2-XOFour(In the formula, M is at least one selected from Ni, Co, Fe, and Cr, and 0 <x ≦ 0.5), and the manganese composite oxide represented by acicular particle form is essential. And
[0053]
Although details are unknown, since it is acicular particles, when used as the positive electrode active material of a lithium secondary battery, it becomes easier to absorb the expansion and contraction of the crystal lattice accompanying charge and discharge between the particles, It is considered that the decrease in conductivity due to poor contact can be suppressed.
[0054]
The particle shape is not particularly limited as long as it is needle-like, but more specifically, needle-like particles having an equivalent diameter having a minor axis diameter of 5 μm or less, a major axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less are more preferable.
[0055]
When acicular particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a major axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less are used as the positive electrode active material of a lithium secondary battery, Shrinkage is more easily absorbed between particles.
[0056]
Incidentally, the equivalent diameter used by the present inventors is a definition of Heywood in which one particle is stably placed on a horizontal plane and the shape of the particle is displayed with the lengths of three orthogonal axes. (See Yasuo Arai, Powder Material Chemistry, Bafukan).
[0057]
The chemical formula LiM of the present inventionXMn2-XOFour(Wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe, and Cr, and 0 <x ≦ 0.5), the size of the surface area of the manganese composite oxide is not particularly limited.2The value of BET specific surface area by gas adsorption method is 5m2/ G or more, more specifically 5 m2/ M or more 10m2/ G or less is more preferable.
[0058]
BET specific surface area is 5m2/ G or more of the compound used as the positive electrode active material of the lithium secondary battery improves the contact with the conductive additive and the electrolytic solution, and even when charging / discharging at a high charge / discharge rate, the charge / discharge reaction is performed throughout the active material. Thus, a secondary battery having a high capacity type and excellent cycle characteristics can be constructed.
[0059]
Considering the filling property as the positive electrode active material, the value of the BET specific surface area is 10 m.2By limiting to / g or less, the filling property as the positive electrode material can be maintained, and a high-capacity type secondary battery can be configured.
[0060]
In the method for producing a manganese composite oxide of the present invention, acicular γ-MnOOH or acicular β-MnO2It is essential to use as a manganese source.
[0061]
Γ-MnOOH composed of acicular particles or β-MnO composed of acicular particles2By using as a manganese source, the reaction proceeds uniformly, particle growth is remarkably suppressed, and a manganese composite oxide having a uniform composition can be synthesized.
[0062]
Although details of the mechanism of this reaction are not clear, it is considered as follows.
Γ-MnOOH composed of acicular particles used in the present invention is easily transferred to β-type manganese dioxide having a rutile crystal structure at a temperature of about 300 ° C. or higher in the presence of oxygen. Since this transition occurs easily and quickly, the particle shape remains acicular particles.
[0063]
Manganese dioxide having a β-type crystal structure has a (1 × 1) channel structure, and since a diffusion path to the inside of the lithium crystal is secured, the reaction is easy when reacted with a lithium compound. It is thought to progress. Further, although the reason is unknown, it is considered that since the particle shape is needle-shaped, the composite with the metal material easily proceeds, and a manganese composite oxide having a uniform composition is easily generated.
[0064]
Regarding the thermal phase transition of manganese oxide that occurs during firing, the change from the rutile structure to the spinel skeleton structure is very rapid. M.M. (Revue De Chimi Mineral vol. 21, 55 (1984)), it is considered that the reaction proceeds easily from this.
[0065]
In addition, since the reaction is easy to proceed, the growth of the particles due to the compositional deviation of manganese, metal, and lithium on the particle surface and inside is suppressed, and the reaction is performed while maintaining the needle-like particle shape of the starting manganese species. It is thought to go forward.
[0066]
From the synergistic effect described above, it is considered that a manganese composite oxide having a uniform particle shape and a uniform composition is easily generated.
[0067]
Β-MnO made of acicular particles as starting manganese raw material2Even when γ is used, the same effect as that in the case of using γ-MnOOH composed of acicular particles is observed, and a manganese composite oxide having a uniform particle shape and a uniform composition is generated.
[0068]
In the case where γ-MnOOH or β-MnO2 composed of needle-like particles having a short axis diameter of 1 μm or less, a major axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less is used as a manganese starting material, Further, the reaction is easy to proceed, and it becomes possible to synthesize a manganese composite oxide composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less. As described above, when this manganese composite oxide is used as the positive electrode active material of a lithium secondary battery, a battery with more excellent cycle characteristics can be configured, which is more preferable.
[0069]
The γ-MnOOH composed of acicular particles used in the present invention is, for example, a method reported by Owen Bricker, that is, manganese hydroxide (Mn (OH)2) Hydrogen peroxide (H2O2) (The American Mineralologist vol. 50, p. 1296 (1965)), K. The method reported by Matsuki et al. (Electrochimica Actavol. 31, p. 13 (1986)), that is, at a temperature of 20 ° C. or lower, manganese sulfate (MnSOFour) And hydrogen peroxide mixture with ammonia (NHFourOH) can be obtained.
[0070]
Β-MnO composed of acicular particles used in the present invention2Can be produced using the method disclosed in JP-A-63-30323.
[0071]
It is composed of needle-shaped particles of the present invention and has a crystal structure of spinel type, chemical formula LiMXMn2-XOFour(Wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe, and Cr, and 0 <x ≦ 0.5), the lithium material used for producing the acicular manganese composite oxide is lithium and Any lithium compound may be used. For example, lithium metal, lithium hydroxide, lithium oxide, lithium carbonate, lithium iodide, lithium nitrate, lithium oxalate, alkyl lithium, etc. are exemplified, preferably those that melt at a temperature of 500 ° C. or less, In particular, lithium nitrate is more preferable.
[0072]
It is composed of needle-shaped particles of the present invention and has a crystal structure of spinel type, chemical formula LiMxMn2-XOFour(Wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe and Cr, and 0 <X ≦ 0.5), the metal material used for producing the acicular manganese composite oxide is a metal and Any metal compound may be used as long as it is a metal compound. Examples include metals, metal hydroxides, metal oxides, metal carbonates, metal nitrates, organometallic complexes, etc., preferably those that melt at a temperature of 500 ° C. or less, Particularly preferred are metal nitrates.
[0073]
Needle-like γ-MnOOH or needle-like β-MnO2And lithium compounds, Ni,
The method for mixing at least one metal material selected from Co, Fe, and Cr is not particularly limited, and may be mixed in a solid phase and / or a liquid phase. For example, the above raw material powder is mixed in a dry and / or wet manner, or acicular γ-MnOOH or acicular β-MnO2 is added to a solution in which a lithium compound and a metal material are dissolved and / or suspended. And a method of mixing by stirring.
[0074]
Needle-like γ-MnOOH or needle-like β-MnO2The method of firing the manganese composite oxide for firing a mixture of at least one metal material selected from Ni, Co, Fe, and Cr is not particularly limited. In addition, after the first heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or lower in oxygen, the second heat treatment is preferably performed at a temperature higher than 500 ° C. and lower than 850 ° C.
[0075]
According to the study by the present inventors, the complexing reaction proceeds on the low temperature side at 500 ° C., and the development of the spinel structure occurs on the high temperature side. Therefore, a manganese composite oxide having a more uniform composition and having a developed spinel structure can be synthesized by first carrying out a complexing reaction sufficiently in the first heat treatment and then performing a crystal growth reaction in the second heat treatment. Furthermore, the complexing reaction is further promoted by performing the first heat treatment in the atmosphere and / or oxygen.
[0076]
Note that, when the second heat treatment is performed at a temperature exceeding 850 ° C., particle growth and manganese reduction reaction are likely to occur.
[0077]
In addition, although it does not restrict | limit in particular regarding baking time, 10 hours or more are preferable for both 1st heat processing and 2nd heat processing.
[0078]
As the negative electrode of the lithium secondary battery of the present invention, lithium metal, a lithium alloy, or a compound capable of occluding and releasing lithium can be used. Examples of the lithium alloy include a lithium / tin alloy, a lithium / aluminum alloy, and a lithium / lead alloy. Examples of compounds capable of occluding and releasing lithium include carbonaceous materials such as graphite and graphite, FeO, Fe2OThree, FeThreeOFourIron oxide such as CoO, Co2OThree, CoThreeOFourAn oxide such as cobalt oxide is exemplified.
[0079]
The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include carbonates such as propylene carbonate and diethyl carbonate, sulfolanes such as sulfolane and dimethyl sulfoxide, lactones such as γ-butyrolactone, and dimethoxyethane. Dissolve at least one lithium salt such as lithium perchlorate, lithium tetrafluoroborate, lithium hexafluorophosphate, lithium trifluoromethanesulfonate in at least one organic solvent such as ethers Inorganic or organic lithium ion conductive solid electrolytes can be used. The battery shown in FIG. 1 was constructed using the manganese composite oxide positive electrode active material obtained in the present invention.
[0080]
In the figure, 1: lead wire for positive electrode, 2: mesh for positive electrode current collector, 3: positive electrode, 4: separator, 5: negative electrode, 6: mesh for negative electrode current collector, 7: lead wire for negative electrode, 8: container, Indicates.
[0081]
Examples are shown below as specific examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
[0082]
【Example】
In addition, the X-ray-diffraction measurement in the Example and comparative example of this invention, observation of a particle structure, and the measurement of a specific surface area were performed with the following method.
[0083]
Figure 0003702481
[0084]
Further, the length of the crystal axis was determined from the X-ray diffraction measurement data of each compound by the WPPD method (Whole-Powder-Pattern Decomposition Method).
[0085]
Furthermore, composition analysis was measured by ICP emission spectrometry.
[0086]
[Manufacture of manganese composite oxide]
Example 1
(LiCo0.1Mn1.9OFourManufacturing of)
As Example 1, LiCo0.1Mn1.9OFourWas produced by the following method.
Lithium nitrate (special grade reagent), γ-MnOOH (manufactured by Tosoh Corporation) and cobalt nitrate having an equivalent diameter of a minor axis diameter of 1 μm or less, a major axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less Hexahydrate (special reagent grade) was mixed at a molar ratio of Li: Mn: Co of 1: 1.9: 0.1, and then calcined in the atmosphere at a temperature of 450 ° C. for 24 hours.
[0087]
Next, this was cooled to room temperature, pulverized and mixed in a mortar, and then baked in the atmosphere at a temperature of 650 ° C. for 24 hours.
[0088]
The X-ray diffraction pattern of the obtained compound is shown in FIG. 2, the observation result of the particle structure is shown in FIG. 3, and the chemical analysis result, the length of the crystal axis, and the measurement result of the BET specific surface area are shown in Table 1.
[0089]
[Table 1]
Figure 0003702481
[0090]
As a result of the analysis, the obtained compound was composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less, and the crystal axis length was 8.217 angstroms. , BET specific surface area 6.5m2/ G LiCo0.1Mn1. 9
O3.9It was found that this is a manganese composite oxide having a spinel structure represented by
[0091]
Example 2
(LiCo0.2Mn1.8OFourManufacturing of)
As Example 2, production was carried out in the same manner as in Example 1 except that Li: Mn: Co was mixed at a molar ratio of 1: 1.8: 0.2.
[0092]
As a result of analysis, the obtained compound was a manganese composite oxide having a spinel structure composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less. .
[0093]
The results of chemical analysis, crystal axis length, and BET specific surface area are shown in Table 1.
[0094]
Example 3
(LiCo0.3Mn1.7OFourManufacturing of)
As Example 3, β-MnO made of acicular particles having an equivalent diameter of a minor axis diameter of 1 μm or less, a major axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less is used as a manganese raw material.2The mixture was mixed so that the molar ratio of Li: Mn: Co was 1: 1.7: 0.3, the second baking temperature was 750 ° C., and the production was performed in the same manner as in Example 1. It was.
[0095]
Note that β-MnO composed of acicular particles2Was created by the following method.
[0096]
100 g of γ-MnOOH (manufactured by Tosoh Corporation) consisting of acicular particles having a short axis diameter of 1 μm or less, a long axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less and concentrated nitric acid (specific gravity = 1.3) ) 10 ml was mixed and heat-treated at a temperature of 200 ° C. for 8 hours. The product was crushed in a mortar and washed with hot water. From X-ray diffraction measurements, this product is β-MnO.2Was identified. Furthermore, as a result of observing the particle structure, it was an acicular particle having a short axis diameter of 1 μm or less, a long axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less.
[0097]
As a result of analysis of the manufactured manganese composite oxide, the obtained compound has a spinel structure composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less. It was a manganese composite oxide.
[0098]
The results of chemical analysis, crystal axis length, and BET specific surface area are shown in Table 1.
[0099]
Example 4
(LiNi0.1Mn0.9OFourManufacturing of)
As Example 4, LiNi0.1Mn1.9OFourWas produced by the following method.
Lithium nitrate (special grade reagent), γ-MnOOH (manufactured by Tosoh Corporation) and nickel nitrate having an equivalent diameter with a minor axis diameter of 1 μm or less, a major axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less Hexahydrate (special grade reagent) was mixed at a molar ratio of Li: Mn: Ni of 1: 1.9: 0.1, and then calcined in the atmosphere at a temperature of 450 ° C. for 24 hours.
[0100]
Next, this was cooled to room temperature, pulverized and mixed in a mortar, and then baked in the atmosphere at a temperature of 650 ° C. for 24 hours.
[0101]
The X-ray diffraction pattern of the obtained compound is shown in FIG. 2, the observation result of the particle structure is shown in FIG. 4, and the chemical analysis result, the length of the crystal axis, and the measurement result of the BET specific surface area are shown in Table 1.
As a result of analysis, the obtained compound was composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less, and the crystal axis length was 8.228 angstroms. , BET specific surface area 6.3m2/ G LiNi0.1Mn1.9O4.0It was found that this is a manganese composite oxide having a spinel structure represented by
[0102]
Example 5
(LiNi0.3Mn1.7OFourManufacturing of)
As Example 5, it manufactured like Example 4 except having mixed so that Li: Mn: Ni might be set to 1: 1.7: 0.3 by molar ratio.
[0103]
As a result of analysis, the obtained compound was a manganese composite oxide having a spinel structure composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less. .
[0104]
The results of chemical analysis, crystal axis length, and BET specific surface area are shown in Table 1.
[0105]
Example 6
(LiFe0.1Mn1.9OFourManufacturing of)
As Example 6, LiFe0.1Mn1.9OFourWas produced by the following method.
Β-MnO composed of needle-shaped particles having lithium nitrate (special grade reagent) and an equivalent diameter having a minor axis diameter of 1 μm or less, a major axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less2And iron nitrate nonahydrate (special grade reagent) are mixed so that the molar ratio of Li: Mn: Fe is 1: 1.9: 0.1, and then is 24 hours at a temperature of 450 ° C. in the atmosphere. Baked.
[0106]
Next, this was cooled to room temperature, pulverized and mixed in a mortar, and then baked in the atmosphere at a temperature of 850 ° C. for 24 hours.
[0107]
The X-ray diffraction pattern of the obtained compound is shown in FIG. 2, the observation result of the particle structure is shown in FIG. 5, and the chemical analysis result, the length of the crystal axis, and the measurement result of the BET specific surface area are shown in Table 1.
As a result of analysis, the obtained compound is composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less, and the crystal axis length is 8.207 angstroms. , BET specific surface area 7.2m2/ G LiFe0.1Mn1. 9O4It was found that this is a manganese composite oxide having a spinel structure represented by
[0108]
Example 7
(LiCr0.2Mn1.9OFourManufacturing of)
As Example 7, LiCr0.2Mn1.8OFourWas produced by the following method.
Lithium nitrate (special grade reagent) and β-MnO2 consisting of acicular particles with a minor axis diameter of 1 μm or less, a major axis diameter of 5 μm or less, and a height of 1 μm or less, and chromium nitrate nonahydrate ( The reagent special grade was mixed at a molar ratio of Li: Mn: Cr of 1: 1.8: 0.2, and then calcined in the atmosphere at a temperature of 450 ° C. for 24 hours.
[0109]
Next, this was cooled to room temperature, pulverized and mixed in a mortar, and then baked in the atmosphere at a temperature of 850 ° C. for 24 hours.
[0110]
The X-ray diffraction pattern of the obtained compound is shown in FIG. 2, the observation result of the particle structure is shown in FIG. 6, and the chemical analysis result, the length of the crystal axis, and the measurement result of the BET specific surface area are shown in Table 1.
As a result of analysis, the obtained compound was composed of needle-like particles having a short axis diameter of 5 μm or less, a long axis diameter of 10 μm or less, and a height of 5 μm or less, and the crystal axis length was 8.237 angstroms. , BET specific surface area 8.2m2/ G LiCr0.2Mn1.8O4It was found that this is a manganese composite oxide having a spinel structure represented by
[0111]
Comparative Example 1
(LiCo0.2Mn1.8OFourManufacturing of)
As Comparative Example 1, LiCo0.2Mn1.8OFourWas produced by the following method.
Lithium carbonate (special grade reagent) and MnThreeOFour(Trimanganese tetraoxide: special reagent grade) and basic cobalt carbonate (special reagent grade) were mixed at a molar ratio of Li: Mn: Co of 1: 1.8: 0.2, and then 900 ° C. in the atmosphere. Baked at a temperature of 10 hours.
[0112]
The X-ray diffraction pattern of the obtained compound is shown in FIG. 2, the observation result of the particle structure is shown in FIG. 7, and the chemical analysis result, the length of the crystal axis, and the measurement result of the BET specific surface area are shown in Table 1.
As a result of analysis, the obtained compound was composed of octahedral needle-like particles having a side length of 1 μm or more, a crystal axis length of 8.222 angstroms, and a BET specific surface area of 0.6 m.2/ G LiCo0.2Mn1.8O3.8It was found that this is a manganese composite oxide having a spinel structure represented by
[0113]
Comparative Example 2
(LiCo0.1Mn1.9OFourManufacturing of)
As Comparative Example 2, LiCo0.1Mn1.9OFourWas produced by the following method.
Lithium carbonate (special grade reagent) and Mn2OThree(Manganese sesquioxide: reagent grade) and Co2OThree(Cobalt sesquioxide: special grade reagent) was mixed at a molar ratio of Li: Mn: Co of 1: 1.9: 0.1, and then fired in the atmosphere at a temperature of 650 ° C. for 6 hours.
[0114]
Next, this was cooled to room temperature, pulverized and mixed in a mortar, and then baked in the atmosphere at a temperature of 850 ° C. for 24 hours.
[0115]
The X-ray diffraction pattern of the obtained compound is shown in FIG. 2, the observation result of the particle structure is shown in FIG. 8, and the chemical analysis result, the length of the crystal axis, and the measurement result of the BET specific surface area are shown in Table 1.
As a result of analysis, the obtained compound was composed of particles of about 0.5 μm, the crystal axis length was 8.229 angstroms, and the BET specific surface area was 0.7 m.2/ G LiCo0.1Mn1.9OFourIt was found that the manganese composite oxide has a spinel structure represented by
[0116]
[Battery configuration]
A mixture (trade name: TAB-2) of polytetrafluoroethylene and acetylene black as a conductive agent was used for the manganese composite oxides produced in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2 at a weight ratio of 2: 1. Mixed in proportion. 75 mg of the mixture is 1 ton / cm2 ofAfter forming into a pellet on a 20 mmφ mesh (SUS 316) with pressure, a vacuum drying treatment was performed at 200 ° C. for 5 hours.
[0117]
This was used for the positive electrode 3 in FIG. 1, and for the negative electrode 5 in FIG. 1, a lithium piece cut out from a lithium foil (thickness 0.2 mm) was used. As the electrolyte, propylene carbonate and lithium perchlorate were used. 1 mol / dmThree1 is impregnated with the separator 4 in FIG.2The battery shown in FIG. 1 was constructed.
[0118]
[Evaluation of battery performance]
Using the battery prepared by the above method, 1.0 mA / cm2The battery voltage was repeated between 4.5V and 3.5V at a constant current of.
[0119]
Table 1 shows the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the 1st cycle, that is, the capacity retention rate.
[0120]
The manganese composite oxides manufactured in Examples 1 to 7 all showed a high maintenance rate of 95% or more, but the manganese composite oxides manufactured in Comparative Examples 1 to 2 were all 90% or less. .
[0121]
【The invention's effect】
As described above, according to the study by the present inventors, at least one kind selected from γ-MnOOH consisting of acicular particles or β-MnO2 consisting of acicular particles, a lithium compound, and Ni, Co, Fe, Cr. By firing a mixture with the above metal materials, it consists of acicular particles, the crystal structure is spinel type, chemical formula LiMXMn2-XO4(Wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe, and Cr, and 0 <x ≦ 0.5), and it was found that a novel manganese composite oxide represented by It has been found that by using it as a positive electrode active material for a lithium secondary battery, it is possible to construct a manganese-based lithium secondary battery having an unprecedented excellent cycle characteristics.
[0122]
The discovery of a manganese-based positive electrode material applicable to a positive electrode active material for a lithium secondary battery is an industrially useful finding.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a battery configured in examples and comparative examples.
[Explanation of symbols]
1 Positive lead wire
2 Positive electrode current collector mesh
3 Positive electrode
4 Separator
5 Negative electrode
6 Negative electrode current collector mesh
7 Lead wire for negative electrode
8 containers
2 is a diagram showing X-ray diffraction patterns of manganese composite oxides produced in Example 1, Example 4, Examples 6 to 7, and Comparative Examples 1 and 2. FIG.
3 is a photograph showing the particle structure of the manganese composite oxide produced in Example 1. FIG.
4 is a photograph showing the particle structure of a manganese composite oxide produced in Example 4. FIG.
5 is a photograph showing the particle structure of the manganese composite oxide produced in Example 6. FIG.
6 is a photograph showing the particle structure of a manganese composite oxide produced in Example 7. FIG.
7 is a photograph showing the particle structure of the manganese composite oxide produced in Comparative Example 1. FIG.
8 is a photograph showing the particle structure of a manganese composite oxide produced in Comparative Example 2. FIG.

Claims (9)

針状粒子からなり、結晶構造がスピネル型で、化学式LiMx Mn2-X4 (式中MはNi,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上であり、0<x≦0.5) で表される針状マンガン複合酸化物。It consists of acicular particles and has a crystal structure of spinel type, chemical formula LiM x Mn 2 -X O 4 (wherein M is at least one selected from Ni, Co, Fe, Cr, 0 <x ≦ 0. 5) Acicular manganese composite oxide represented by 針状マンガン複合酸化物のBET比表面積が5m2 /g以上10m2 /g以下であることを特徴とする請求項1に記載の針状マンガン複合酸化物。The acicular manganese composite oxide according to claim 1, wherein the BET specific surface area of the acicular manganese composite oxide is 5 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less. 針状粒子からなるγ−MnOOHと、リチウム化合物と、Ni,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上の金属材料との混合物を焼成することを特徴とする、請求項1に記載の針状マンガン複合酸化物を製造する方法。The needle according to claim 1, wherein a mixture of γ-MnOOH composed of acicular particles, a lithium compound, and at least one metal material selected from Ni, Co, Fe, and Cr is fired. Of producing a manganese complex oxide. 請求項3に記載の焼成を、最初に大気中で、500℃以下の温度で行った後に、500℃以上850℃以下の温度で第2の焼成を行うことを特徴とする請求項に記載のマンガン複合酸化物の製造方法。Wherein the firing of claim 3, the first in the air, after performing at 500 ° C. below the temperature, to claim 3, characterized in that the second baking at temperatures below 850 ° C. 500 ° C. or higher Manufacturing method of manganese composite oxide. 針状粒子からなるβ−MnO2 と、リチウム化合物と、Ni,Co,Fe,Crから選ばれる少なくとも1種類以上の金属材料との混合物を焼成することを特徴とする請求項1に記載の針状マンガン複合酸化物の製造方法。The needle according to claim 1, wherein a mixture of β-MnO 2 composed of acicular particles, a lithium compound, and at least one metal material selected from Ni, Co, Fe, and Cr is fired. Method for producing a manganese complex oxide. 請求項5に記載の焼成を、最初に大気中及び/または酸素中で、500℃以下の温度で行った後に、500℃以上850℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項5に記載の針状マンガン複合酸化物製造方法。The firing according to claim 5 is performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 850 ° C. or lower after first performing in the air and / or oxygen at a temperature of 500 ° C. or lower. The method for producing acicular manganese composite oxide. リチウム化合物が、硝酸リチウムであることを特徴とする請求項3〜6に記載の針状マンガン複合酸化物製造方法。The method for producing acicular manganese composite oxide according to claim 3, wherein the lithium compound is lithium nitrate. Ni,Co,Fe,Crの金属材料が、硝酸塩であることを特徴とする請求項3〜6に記載の針状マンガン複合酸化物製造方法。The method for producing acicular manganese composite oxide according to claim 3, wherein the metal material of Ni, Co, Fe, and Cr is nitrate. リチウム、リチウム合金またはリチウムを吸蔵放出可能な化合物を負極活物質に用い、電解質に非水電解質を用い、請求項1の針状マンガン複合酸化物を正極活物質に用いることを特徴とするリチウム二次電池。Lithium, a lithium alloy, or a compound capable of occluding and releasing lithium is used as a negative electrode active material, a nonaqueous electrolyte is used as an electrolyte, and the acicular manganese composite oxide according to claim 1 is used as a positive electrode active material. Next battery.
JP04792395A 1995-02-14 1995-02-14 Acicular manganese complex oxide, method for producing the same, and use thereof Expired - Fee Related JP3702481B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP04792395A JP3702481B2 (en) 1995-02-14 1995-02-14 Acicular manganese complex oxide, method for producing the same, and use thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP04792395A JP3702481B2 (en) 1995-02-14 1995-02-14 Acicular manganese complex oxide, method for producing the same, and use thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH08217451A JPH08217451A (en) 1996-08-27
JP3702481B2 true JP3702481B2 (en) 2005-10-05

Family

ID=12788900

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP04792395A Expired - Fee Related JP3702481B2 (en) 1995-02-14 1995-02-14 Acicular manganese complex oxide, method for producing the same, and use thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3702481B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW434187B (en) * 1997-05-07 2001-05-16 Fuji Chem Ind Co Ltd A process for preparing a spinel type of lithium manganese complex oxide
JP2000251894A (en) * 1998-12-29 2000-09-14 Hitachi Maxell Ltd Nonaqueous secondary battery, and usage thereof
EP1705736B1 (en) * 2003-12-15 2015-08-26 Mitsubishi Chemical Corporation Nonaqueous electrolyte secondary battery
FR2890241B1 (en) * 2005-08-25 2009-05-22 Commissariat Energie Atomique HIGH SPEED SPINELLE STRUCTURE POSITIVE ELECTRODE MATERIAL BASED ON NICKEL AND MANGANESE FOR LITHIUM ACCUMULATORS
JP5246057B2 (en) * 2009-06-22 2013-07-24 ソニー株式会社 Battery positive electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
KR101497190B1 (en) * 2012-10-18 2015-02-27 삼성정밀화학 주식회사 Lithium metal oxide composite for lithium secondary battery, method for preparing thereof, and lithium secondary battery including the same
JP5962429B2 (en) * 2012-10-22 2016-08-03 ソニー株式会社 Batteries, battery packs, electronic devices, electric vehicles, power storage devices, and power systems
JP2014139128A (en) * 2014-01-17 2014-07-31 Tosoh Corp Lithium manganese-based complex oxide

Also Published As

Publication number Publication date
JPH08217451A (en) 1996-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3680340B2 (en) Manganese composite oxide, method for producing the same, and use thereof
EP1189296B1 (en) Lithiated oxide materials and methods of manufacture
JP4131521B2 (en) Lithium nickel cobalt composite oxide, process for producing the same, and positive electrode active material for secondary battery
KR101989760B1 (en) Positive electrode active material precursor particulate powder and positive electrode active material particulate powder, and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP4137635B2 (en) Positive electrode active material and non-aqueous secondary battery
US8021783B2 (en) Lithium manganese-based composite oxide and method for preparing the same
JP5320710B2 (en) Positive electrode active material, method for producing the same, and electrochemical device
JPH05299092A (en) Nonaqueous electrolytic lithium secondary battery and manufacture thereof
KR20000029333A (en) Manganese oxide, lithium manganese complex oxide and cobalt-coated lithium manganese complex oxide, and preparation processes thereof
KR101463881B1 (en) Manganese spinel-type lithium transition metal oxide
JPH05283076A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and manufacture of positive electrode active material thereof
JP5737513B2 (en) Positive electrode active material powder for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP3606290B2 (en) Method for producing cobalt-containing lithium nickelate for positive electrode active material of non-aqueous battery
JP4813453B2 (en) Lithium-containing composite oxide and non-aqueous secondary battery
JPH10158017A (en) Lithium-nickel-multiple oxide, its production and its use
JP2004002141A (en) Lithium nickel manganese oxide, its manufacturing method and lithium-ion secondary cell using the same
JP4997609B2 (en) Method for producing lithium manganese composite oxide
WO2018169004A1 (en) Nickel-manganese-based composite oxide and method for producing same
JP2003002661A (en) Method for producing lithium cobalt composite oxide
JP4257426B2 (en) Alkali transition metal oxide crystal material and method for producing the same
JP3702481B2 (en) Acicular manganese complex oxide, method for producing the same, and use thereof
JP4431786B2 (en) Positive electrode material for lithium secondary battery, method for producing the same, and lithium secondary battery using the same
JP2012209242A (en) Lithium manganese titanium nickel composite oxide and production method therefor, and lithium secondary battery using the same as member
JP4055269B2 (en) Manganese oxide and method for producing the same, lithium manganese composite oxide using manganese oxide, and method for producing the same
JP2000154022A (en) Lithium manganese double oxide, its production and its use

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040922

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050118

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050318

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050419

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050527

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050628

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050711

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees