JP3982658B2 - Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material - Google Patents

Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解液二次電池用正極活物質およびその製造方法ならびに上記正極活物質を用いた非水電解液二次電池に関し、さらに詳しくは、高容量で、かつサイクル特性が優れた非水電解液二次電池を提供することができる非水電解液二次電池用正極活物質およびその製造方法ならびに上記正極活物質を用い、高容量で、かつサイクル特性が優れた非水電解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話やノート型パソコンなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型軽量でかつ高容量の二次電池が必要とされるようになってきた。現在、この要求に応える高容量二次電池として、正極活物質としてLiCoO2 を用い、負極活物質として炭素系材料を用いたリチウムイオン二次電池が商品化されている。このリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用されているLiCoO2 は、製造が容易であり、かつ取り扱いが容易なことから、好適な正極活物質として多用されている。
【0003】
しかしながら、LiCoO2 は希少金属であるコバルト(Co)を原料として製造されるために、今後、資源不足が深刻になると予想される。また、コバルト自体の価格も高く、価格変動も大きいために、安価で供給の安定している正極材料の開発が望まれる。
【0004】
そこで、LiCoO2 に代わる正極活物質として、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物、ニッケル酸リチウム、チタン酸リチウムなどを用いたリチウムイオン二次電池について研究が行われている。これらのリチウム含有複合酸化物の中でも構成元素の価格が安価で、供給が安定しているマンガンを構成元素としたスピネル型構造のリチウムマンガン酸化物が、LiCoO2 に代わる正極活物質として注目されている。
【0005】
このスピネル型構造のリチウムマンガン酸化物には、Li2 Mn4 9 、Li4 Mn5 12、LiMn2 4 などがあり、なかでもLiMn2 4 がリチウム電位に対して4V領域で充放電が可能であることから、盛んに研究が行われている(特開平6−76824号公報、特開平7−73883号公報、特開平7−230802号公報、特開平7−245106号公報など)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、LiCoO2 の理論放電容量は274mAh/gであるが、深い充放電を行うとLiCoO2 が相変化を起こしてサイクル寿命に影響を与えるため、実際のリチウムイオン二次電池において実用的な放電容量は125〜140mAh/gの範囲になる。これに対して、LiMn2 4 の理論放電容量は148mAh/gであるが、このLiMn2 4 もLiCoO2 と同様に充放電中に相変化を起こし、また、負極活物質として炭素系材料を用いた場合には、炭素系材料の不可逆容量が大きいために、実際に電池とした場合に使用できる放電容量は90〜105mAh/g程度になる。このことからも明らかなように、LiMn2 4 を正極活物質として使用する場合には、LiCoO2 を正極活物質として使用する場合よりも電池容量を大きくすることができない。
【0007】
また、LiCoO2 の真密度が4.9〜5.1g/cm3 であるのに対し、LiMn2 4 の真密度は4.0〜4.2g/cm3 であり、正極活物質としての充填性を考えると、容量面で不利を生じることになる。さらに、LiMn2 4 を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池では、充放電中におけるLiMn2 4 自体の構造が不安定であるため、サイクル特性がLiCoO2 系電池よりも短いという問題もある。
【0008】
さらに、リチウムイオン二次電池では、電解液溶媒として有機溶媒を用いた非水電解液が使用されているため、電解液中のイオンの伝導度が低く、そのために、電池から大電流を取り出すような重負荷がかかると、低負荷放電時に比べて放電電圧の低下が大きくなり、充分に電池容量を取り出せないという問題や、正極活物質の分極が大きいため、電池使用時の環境温度が低くなると、室温での放電特性に比べて放電電圧の低下が大きくなり、電池容量が著しく取り出しにくくなるという問題があった。
【0009】
本発明は、上記のような従来の事情に照らして、構造的に安定でかつ高容量の非水電解液二次電池用正極活物質を提供することを第一の目的とする。また、本発明は、上記正極活物質を用い、高容量で、かつサイクル特性が優れた非水電解液二次電池を提供することを第二の目的とする。さらに、本発明は、最近の二次電池の使用環境に伴い、正極活物質の利用率を向上させ、負荷特性が優れているとともに、低温時の放電特性が優れた非水電解液二次電池を提供することを第三の目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、非水電解液二次電池用の正極活物質として、Fe含有量が98ppm以下の化学合成二酸化マンガンをマンガン源として製造され、一般式LiMn4−z(x+y=3.00とした時、1.00≦x≦1.05、0<z≦0.15、ただし、xは電池組立時の値であり、充放電に際し0<x≦1.05の範囲で変化する値である)で表され、球状ないし楕円状で、Fe含有量が200ppm以下のスピネル型リチウムマンガン酸化物を用いるときは、理論放電容量により近い放電容量を有し、高容量で、かつサイクル特性が優れ、しかも負荷特性も優れた非水電解液二次電池が得られることを見出した。また、本発明者らは、上記一般式Li4−zで表されるスピネル型リチウムマンガンを、Fe含有量が98ppm以下の化学合成二酸化マンガンとリチウム塩との混合比をLiとMnの混合モル比でLi/Mn≦0.50とし、不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを原料混合物100gあたり1リットル/分以上の流量で供給しつつ、780〜820℃で焼成することによって、製造できることも見出した。さらに、本発明者らは、スピネル型リチウムマンガン酸化物の比表面積を0.5〜3m2 /gの範囲内にし、かつ平均粒子径を1〜45μmとすることにより、低温時の放電特性が優れた非水電解液二次電池が得られることも見出した。
【0011】
以下、本発明をより具体的に説明する。まず、最初にスピネル型リチウムマンガン酸化物の非水電解液二次電池用正極活物質としての特性について説明すると、スピネル型リチウムマンガン酸化物では、その構成元素であるLi、Mn、Oの含有比が、電気化学的な容量に多大な影響を及ぼす。
【0012】
従来のLiMn2 4 はその構成比から明らかなように、Mnの平均価数が3.5価であり、通常、3価のMnと4価のMnとが等量混在している。しかしながら、実際に充放電に関与するのは3価のMnだけであり、LiMn2 4 の組成中の3価のMnが多くなるほど放電容量が大きくなることが明らかにされている。従って、3価のMnを多くするために、LiMn2 4 の結晶構造中の酸素量を少なくしたリチウムマンガン酸化物にすることが考えられる。
【0013】
ところが、3価のMn量が多くなるとLiMn2 4 の構造が立方晶のスピネル構造から正方晶のLiMnO2 へと相変化を起こす。この正方晶のLiMnO2 はリチウム電位で3V領域では充放電が可能であるが、4V付近の高電位が要求される場合には使用できない。また、LiMn2 4 中の含有酸素量は、LiMn2 4 中のMnの価数を決定するのに重要で、酸素含有量が多いと4価のMnが増加し、酸素含有量が少ないと3価のMnが増加する。3価のMnはヤーン・テラー効果のため、価数変化を起こすときに物質自体が相変化を起こしやすく、充放電中のLiMn2 4 の構造を不安定にし、Liイオンの出入りに伴いスピネル相の破壊が起きやすい。
【0014】
また、LiMn2 4 は結晶構造中のLiをドープ・脱ドープすることにより、Li量が0〜1.00の範囲で変化し、電気化学的に充放電が可能になるが、結晶構造中のLi量が少ないと充放電に使用できるLi量が減少するため、電気化学的容量が減少する。そのため、できるかぎりLi含有量の多いことが望ましいが、量論組成を超えた過剰なLiはLiMn2 4 においてMnの占めるべき16dサイトに入り、このMnの16dサイトに入ったLiは充放電に関与しなくなる。さらに、LiがMnの16dサイトに入ると、LiMn2 4 中の4価のMnが増加し、充放電容量が減少する。従って、Li量をx、Mn量をyとし、x+y=3.00として、リチウムマンガン酸化物を表した時、Li量は1.00が好ましいが、酸素含有量がO4-z (0<z≦0.15)である時は、Li量が1.00以上である場合においても3価のMnを多く含有することができる。一方、Li量が多くなりすぎると、不純物相が多く生成するために、Li量は1.00以上で1.05以下が好まく、1.01以上で1.03以下がより好ましい。
【0015】
また、前記一般式においてO4-Z で示される酸素含有量が多くなりすぎると、上記のように4価のMnが増加し、充放電容量が小さくなるため、酸素含有量は4未満で、3.85以上であることが好ましく、3.98以下で3.88以上がより好ましい。
【0016】
なお、本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物は、結晶構造中のLi(リチウム)がドープ・脱ドープすることにより充放電サイクルするものであって、電池組立時と充放電サイクル時の組成は次のようになる。
電池組立時の組成
Lix Mny 4-z
(x+y=3.00、1.00<x≦1.05、0<z≦0.15)
充放電時組成
Lix'Mny 4-z
(0<x’≦1.05、1.95/4.00<y/(4−z)≦2.00/3.85)
充放電時においては、リチウム量は0<x’≦1.05の範囲で変化し、マンガンと酸素量の比は1.95/4.00<y/(4−z)≦2.00/3.85の範囲内にあることになる。
【0017】
本発明は、上記の知見に基づき、リチウムマンガン酸化物に関して、スピネル構造を維持しつつ、できるだけ3価のMnを多く含有させて、放電容量を大きくし、4V級の高電位にも充分に対応できるようにしたものである。すなわち、本発明は、一般式Lix Mny 4-z (x+y=3.00とした時、1.00≦x≦1.05、0<z≦0.15、ただし、xは電池組立時の値であり、充放電に際し0<x≦1.05の範囲で変化する値である)で表されるスピネル型リチウムマンガン酸化物からなる非水電解液二次電池用正極活物質に関するものであり、本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物は、従来のリチウムマンガン酸化物に比べて、結晶構造中の酸素含有量が抑制されていて、3価のMnを多く含む場合においても、サイクル寿命が長く、サイクル特性が優れていることに特徴がある。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物は、上記のように一般式Lix Mny 4-z (x+y=3.00とした時、1.00≦x≦1.05、0<z≦0.15、ただし、xは電池組立時の値であり、充放電に際し0<x≦1.05の範囲で変化する値である)で表されるが、このスピネル型リチウムマンガン酸化物について詳細に説明するにあたり、これまでのLiMn2 4 についても、その形状、製造原料について触れておくと、LiMn2 4 の製造原料としては一般に電解合成二酸化マンガンが使用されている。しかし、この従来の電解合成二酸化マンガンを用いて製造したLiMn2 4 は、図2の電子顕微鏡写真に示すように、角張った形状をしている(図2中、白っぽく写っている部分がLiMn2 4 粒子である)。
【0019】
非水電解液二次電池では正極合剤の合剤密度を上げて高容量化を図る必要があるが、上記のような角張った形状をしたLiMn2 4 では、その角張った形状のため合剤密度を上げることができず、充填密度が低くなってしまうという問題がある。
【0020】
本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物は、そのような要求にも応えることができるものであり、図1に示すように(図1中、白っぽく写っている部分が本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物粒子である)、球状ないし楕円状をしているので、活物質粒子内での電気化学的な反応が均一に進行するものと考えられ、それによって、大きな放電容量を期待でき、さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いた場合、正極合剤の充填密度を高めることができ、高容量の非水電解液二次電池が得られる。本発明において、上記スピネル型リチウムマンガン酸化物の形状を表現するにあたり、球状ないし楕円状と表現しているが、これはほぼ球状のものからほぼ楕円状のものまでのすべて(つまり、ほぼ球状からほぼ楕円状までの中間的な形状のものも含む)を含み、その中に含まれるいずれの形状であってもよいことを意味している。
【0021】
本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物は、後に詳しく説明するように、その粒子径としては、充放電効率を高めるため、平均粒子径で1〜45μmが好ましく、特に平均粒子径で1〜25μmが好ましい。また、その比表面積としては、有効反応面積を増やすため、0.5〜3m2 /gが好ましく、特に1〜3m2 /gが好ましい。
【0022】
また、本発明者らは、スピネル型リチウムマンガン酸化物中に含まれるFe含有量を200ppm以下にすることにより、上記スピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いるときは、充放電容量およびサイクル特性が向上するとともに、負荷特性も改善できることを見出した。
【0023】
すなわち、本発明のリチウムマンガン酸化物の原料である化学合成二酸化マンガンの製造過程でマンガン以外の遷移金属が混入してくるが、特にFe成分の混入が顕著であり、このFe成分の少ない化学合成二酸化マンガンを原料としてリチウムマンガン酸化物の合成を行うと、生成物の充放電容量をさらに向上させることができ、負荷特性の優れた非水電解液二次電池が得られることを見出した。この理由は、現在のところ必ずしも明らかではないが、本発明者らが考察したところでは、Feを含有した二酸化マンガンを用いるとリチウムマンガン酸化物の生成過程において充放電反応に寄与しない酸化鉄あるいはFe含有リチウム酸化物が生成し、これが負荷特性を低下させる原因になっているものと考えられる。それ故、Fe含有量の少ない二酸化マンガンを用いることにより、それらの不純物の生成を抑制してリチウムマンガン酸化物中のFe含有量を200ppm以下にすることにより、充放電反応でドープ、脱ドープするリチウムイオンの固相内拡散の効率を高め、充放電容量の向上のみならず、負荷特性も改善できるようになると考えられる。
【0024】
また、生成物であるリチウムマンガン酸化物を1当量合成するには、原料である二酸化マンガンが2当量必要であるため、二酸化マンガン中の不純物であるFe成分はリチウムマンガン酸化物中において約2倍の含有量に濃縮されるので、二酸化マンガン中のFe成分濃度は、スピネル型リチウムマンガン酸化物の負荷特性に非常に影響を与えやすいと考えられる。
【0025】
本発明者らの検討によれば、リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を200ppm以下、より好ましくは100ppm以下、さらに好ましくは50ppm以下にすることにより、前記リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いたときに、高い充放電容量と優れた負荷特性を有する非水電解液二次電池が得られることが判明した。
【0026】
また、本発明者らは、スピネル型リチウムマンガン酸化物の粒子径としては、充放電効率を高めるために、平均粒子径で1〜45μmが好ましく、特に平均粒子径で1〜25μmが好ましく、また、その比表面積としては、有効反応面積を増やすために、0.5〜3m2 /gが好ましく、特に1〜3m2 /gが好ましく、本発明の一般式Lix Mny 4-z で表される球状ないし楕円状のスピネル型リチウムマンガン酸化物をこのような平均粒子径および比表面積にすることにより、電気化学的反応の進行が有利になり、充放電容量やサイクル特性のみならず、低温時の放電特性も改善できることを見出した。
【0027】
本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物の平均粒子径を1〜45μm、比表面積を0.5〜3m2 /gにすることにより、優れた充放電容量やサイクル特性のみならず、低温時の放電特性も改善できる理由は、現在のところ必ずしも明らかではないが、次のように考えられる。すなわち、本発明の非水電解液二次電池の正極は前記スピネル型リチウムマンガン酸化物をバインダーなどとともに溶剤中で分散してペーストにし、これを集電体となる基体上に塗布し、乾燥して作製されるが、このペースト調製時にスピネル型リチウムマンガン酸化物の平均粒子径を1μm以上、比表面積を3m2 /g以下にすることにより、正極合剤ペースト中でスピネル型リチウムマンガン酸化物の粒子同士の凝集を抑制できるとともに、スピネル型リチウムマンガン酸化物粒子の溶剤へのぬれ性が向上するので、ペーストに使用される溶剤量を少なくすることができる。ペースト乾燥後に活物質含有層(つまり、正極合剤層)中に残存する溶剤は負荷特性に影響を与えるが、本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物は上記のように溶剤使用量を少なくすることができるので、この正極合剤中の残存溶剤を低減できるとともに、正極の製造工程中で電池特性に影響を及ぼす一因となる基体上に塗布したペーストの乾燥温度を低くすることができるので、ペースト乾燥後の正極合剤中のスピネル型リチウムマンガン酸化物やバインダー、電子伝導助剤などの分布が均一になり負荷特性が向上し、それによって、充放電容量やサイクル特性のみならず、低温時の放電特性も改善されるようになるものと考えられる。
【0028】
一方、スピネル型リチウムマンガン酸化物の平均粒子径を45μm以下、比表面積を0.5m2 /g以上にすることにより、上記スピネル型リチウムマンガン酸化物の粒子表面の電気化学的反応の進行を円滑にするとともに、微粒子のリチウムマンガン酸化物が得られるので、上記の正極合剤層の充填密度をさらに上げることができ、本発明の球状ないし楕円状の粒子形状の効果をより一層顕著に発現させることができる。なお、本発明にいう平均粒子径は、電子顕微鏡写真(倍率:500倍)で、写真中の個々の粒子の粒子径を測定し、粒子50個の粒子径の平均値により求めた値をいい、比表面積とは試料1gを120℃で20時間脱気処理し、試料の測定環境真空度が10mTorr以下になった後に試料の1〜100Åの細孔について窒素吸着法(ユアサアイオニオクス製、オートソーブ1)で測定を行い、その際の吸着剤での測定値から求めた値をいう。
【0029】
つぎに、本発明の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述べると、そのマンガン源としては化学合成二酸化マンガンを用いるが、その際、球状ないし楕円状のものを用いることが好ましい。この球状ないし楕円状の化学合成二酸化マンガンを用いることによって、得られるスピネル型リチウムマンガン酸化物を球状ないし楕円状にすることができる。上記平均粒子径および比表面積のスピネル型リチウムマンガン酸化物を製造するためには、二酸化マンガンの粒子径としては、平均粒子径で1〜45μmが好ましく、特に平均粒子径で1〜25μmが好ましい。また、得られるスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を200ppm以下にするためには、Fe含有量の少ない化学合成二酸化マンガンを使用するとともに、後述の本発明の製造条件の範囲内で温度、雰囲気、ガス流量などを適宜選択することが好ましい。
【0030】
上記のようなFe含有量が少ない化学合成二酸化マンガンは、二酸化マンガンを製造する過程において、マンガンをイオンとして水溶液中に溶解させている段階から、炭酸カルシウムなどの添加や硫化などによりFe成分を塩として沈殿させる際に、溶液中のpHや添加量を調整することによって、製造することができる。また、マンガンイオンを炭酸アンモニウムなどで沈殿させ、炭酸マンガンとして取り出す過程においても、前述した過程において溶液中のpHや添加量の調整が充分に行われなかった際にFe成分が同時に沈殿してくる可能性があるが、同様に炭酸アンモニウムなどの添加量や溶液中のpHを調整することによって、Fe含有量の少ない二酸化マンガンを製造することができる。
【0031】
リチウム源としては、種々のリチウム塩を用いることができ、たとえば水酸化リチウム・一水和物、硝酸リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、臭化リチウム、塩化リチウム、クエン酸リチウム、フッ化リチウム、ヨウ化リチウム、乳酸リチウム、シュウ酸リチウム、リン酸リチウム、ピルビン酸リチウム、硫酸リチウム、酸化リチウムなどが挙げられ、それらの中でも、酸化炭素、酸化窒素、酸化硫黄などの環境に悪影響を及ぼすガスが発生しない点で水酸化リチウム・一水和物が好ましい。
【0032】
本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物の製造にあたり、二酸化マンガンとリチウム塩との仕込み比は、LiとMnの混合モル比でLi/Mn≦0.5、特に0.45≦Li/Mn≦0.49にすることが好ましい。上記LiとMnの混合モル比を0.5以下にするのが好ましいとするのは、上記Li/Mnの混合モル比が0.5より大きくなると、反応中間生成物などが残存しやすくなり、その中間生成物が、電池系内で充放電反応を阻害し、非水電解液二次電池の充放電容量を小さくするおそれがあるためである。
【0033】
また、本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物の製造時に、上記の二酸化マンガンとリチウム塩とを混合して、ペレット化したものを焼成することが好ましい。すなわち、反応を固相反応で行うために、原料の固相内拡散により反応が進行するので、ペレット化しておくことによって、原料のリチウム塩粒子と二酸化マンガン粒子との接触が良くなり、より反応が進行しやすくなる。このペレットの大きさとしては、5〜15mmが好ましい。
【0034】
そして、本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物の製造時の焼成は、780〜820℃まで昇温し、その温度で24〜36時間保持することが好ましい。780〜820℃で焼成することにより、生成するリチウムマンガン酸化物の結晶性が向上し、スピネル型マンガン構造が形成しやすくなる。焼成温度が780℃より低くなると、生成物であるスピネル型リチウムマンガン酸化物の結晶性の低下や不純物の生成により放電容量が小さくなり、焼成温度が820℃より高くなるとスピネル型リチウムマンガン酸化物の充電容量と放電容量の差、つまり不可逆容量が大きくなるために放電容量が小さくなってしまう。
【0035】
上記焼成に当たっての加熱処理としては、一気に780〜820℃まで昇温するよりも、室温からリチウム塩の融点である250〜500℃で予備加熱してから780〜820℃に昇温することが好ましい。これは、リチウム塩と二酸化マンガンとの反応が段階的に起こり、中間生成物を経由してスピネル型リチウムマンガン酸化物が生成するために、それぞれの中間生成物を形成するための一段階目の反応として予備加熱するためのものであり、一気に780〜820℃まで昇温すると、リチウム塩と二酸化マンガンとが部分的に最終段階まで反応し、それによって生成したスピネル型リチウムマンガン酸化物が未反応物の反応を妨害するおそれがある。また、目的とするスピネル型リチウムマンガン酸化物を得るための焼成時間を短縮するためにも段階的に加熱を行うのが有効である。この予備加熱の時間は特に制限されるものではないが、通常、12〜30時間が好ましく、室温からリチウム塩の融点付近まで昇温し、さらにその温度を保持して加熱することが好ましい。
【0036】
上記焼成、予備加熱も含め加熱処理の雰囲気としてはアルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスと酸素ガスとの混合雰囲気中で行うことが好ましい。これらのガスの混合比としては、不活性ガス/酸素ガスの体積比で5/5〜9/1の範囲にすることが好ましく、8/2〜9/1の範囲にすることがより好ましい。上記のように、不活性ガス/酸素ガスを体積比で5/5〜9/1にすることにより、反応の進行が容易になり、不純物を含有しないスピネル型リチウムマンガン酸化物が容易に得られるようになる。
【0037】
上記不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスの流量としては、出発原料混合物100gあたり1リットル/分以上にするのが好ましく、原料混合物100gあたり1〜5リットル/分がより好ましい。ガス流量が少ない場合、つまりガス流速が遅い場合には、スピネル構造への反応性に差異が生じ、Mn2 3 やLi2 MnO3 などの不純物が残存するおそれがある。
【0038】
本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いて非水電解液二次電池用の正極を作製するには、たとえば、上記リチウムマンガン酸化物に、要すれば、たとえばりん片状黒鉛、アセチレンブラックなどのような電子伝導助剤と、たとえばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのバインダーを加えて混合し、得られた正極合剤を適宜の手段で成形すればよい。
【0039】
上記正極と対向させる負極の活物質としては、リチウムまたはリチウム含有化合物が用いられるが、そのリチウム含有化合物としてはリチウム合金とそれ以外のものとがある。上記リチウム合金としては、たとえば、リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−インジウム、リチウム−ガリウム、リチウム−インジウム−ガリウムなどが挙げられる。リチウム合金以外のリチウム含有化合物としては、たとえば、錫酸化物、珪素酸化物、ニッケル−珪素系合金、マグネシウム−珪素系合金、乱層構造を有する炭素材料、黒鉛、タングステン酸化物、リチウム鉄複合酸化物などが挙げられる。これら例示のリチウム含有化合物中には、製造時にリチウムを含んでいないものもあるが、負極活物質として作用するときにはリチウムを含んだ状態になる。これらのうち、特に黒鉛が容量密度が大きい点で好ましい。
【0040】
負極は、上記負極活物質に、要すれば、上記正極活物質の場合と同様のバインダーや電子伝導助剤などを加えて混合し、得られた負極合剤を適宜の手段で成形することによって作製される。
【0041】
上記正極や負極の成形手段としては、正極合剤や負極合剤を加圧成形したり、正極合剤や負極合剤を水その他の適宜の溶剤によりペースト状ないしスラリー状に塗料化し、それぞれの塗料を集電体としての作用を兼ねる基体に塗布または含浸させ、乾燥して、基体上に塗膜を形成するなど、種々の手段が採用できるが、後者の基体上に塗膜として形成する場合が適している。
【0042】
上記塗料を基体に塗布する際の塗布方法としては、たとえば、押出しコーター、リバースローラー、ドクターブレードなどをはじめ、各種の塗布方法を採用することができる。また、正極、負極などの電極の基体としては、たとえば、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属の網、パンチドメタル、エキスパンドメタル、フォームメタル、箔などが用いられる。
【0043】
上記正極と負極における活物質量の比としては、負極活物質の種類によっても異なるが、正極活物質/負極活物質=1.5〜3.5(重量比)にすることが好ましい。
【0044】
本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いた非水電解液二次電池においては、電解液として有機溶媒に電解質を溶解させた有機溶媒系の非水電解液が用いられる。その電解液の溶媒は特に限定されるものではないが、鎖状エステルを主溶媒として用いることが特に適している。そのような鎖状エステルとしては、たとえば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、酢酸エチル(EA)、プロピロン酸メチル(MP)などの鎖状のCOO−結合を有する有機溶媒が挙げられる。この鎖状エステルが電解液の主溶媒であるということは、これらの鎖状エステルが全電解液溶媒中の50体積%より多い体積を占めるということを意味しており、特に鎖状エステルが全電解液溶媒中の65体積%以上、とりわけ鎖状エステルが全電解液溶媒中の70体積%以上を占めることが好ましく、なかでも鎖状エステルが全電解液溶媒中の75体積%以上を占めることが好ましい。
【0045】
電解液の溶媒として、この鎖状エステルを主溶媒にすることが好ましいとしているのは、鎖状エステルが全電解液溶媒中の50体積%を超えることによって、電池特性、特に低温特性が改善されるからである。
【0046】
ただし、電解液溶媒としては、上記鎖状エステルのみで構成するよりも、電池容量の向上をはかるために、上記鎖状エステルに誘導率の高いエステル(誘導率30以上のエステル)を混合して用いることが好ましい。そのような誘電率の高いエステルの全電解液溶媒中で占める量としては、10体積%以上、特に20体積%以上が好ましい。すなわち、誘電率の高いエステルが全電解液溶媒中で10体積%以上になると容量の向上が明確に発現するようになり、誘電率の高いエステルが全電解液溶媒中で20体積%以上になると容量の向上がより一層明確に発現するようになる。ただし、誘電率の高いエステルの全電解液溶媒中で占める体積が多くなりすぎると、電池の放電特性が低下する傾向があるので、誘電率の高いエステルの全電解液溶媒中で占める量としては、上記のように好ましくは10体積%以上、より好ましくは20体積%以上の範囲内で、40体積%以下が好ましく、より好ましくは30体積%以下、さらに好ましくは25体積%以下である。
【0047】
上記誘電率の高いエステルとしては、たとえば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、エチレングリコールサルファイト(EGS)などが挙げられ、特にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状構造のものが好ましく、とりわけ環状のカーボネートが好ましく、具体的にはエチレンカーボネート(EC)が最も好ましい。
【0048】
また、上記誘電率の高いエステル以外に併用可能な溶媒としては、たとえば、1,2−ジメトキシエタン(1,2−DME)、1,3−ジオキソラン(1,3−DO)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチル−テトラヒドロフラン(2−Me−THF)、ジエチルエーテル(DEE)などが挙げられる。そのほか、アミンイミド系有機溶媒や、含イオウまたは含フッ素系有機溶媒なども用いることができる。
【0049】
電解液の電解質としては、たとえば、LiClO4 、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiCF3 SO3 、LiC4 9 SO3 、LiCF3 CO2 、Li2 2 4 (SO3 2 、LiN(CF3 SO2 2 、LiC(CF3 SO2 3 、LiCnF2n+1SO3 (n≧2)などが単独でまたは2種以上混合して用いられる。特にLiPF6 やLiC4 9 SO3 などが充放電特性が良好なことから好ましい。電解液中における電解質の濃度は、特に限定されるものではないが、0.3〜1.7mol/l、特に0.4〜1.5mol/l程度が好ましい。
【0050】
セパレータとしては、強度が充分でしかも電解液を多く保持できるものがよく、そのような観点から、厚さが10〜50μmで、開孔率が30〜70%のポリプロピレン製、ポリエチレン製、プロピレンとエチレンとのコポリマー製の微孔性フィルムや不織布などが好ましい。
【0051】
【実施例】
以下に本発明の実施例に関して説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。
【0052】
実施例1
球形状をした化学合成二酸化マンガン(この二酸化マンガン中のFe含有量は21ppmである)をあらかじめ45μm以下に分級を行った。また、リチウム源である顆粒状の水酸化リチウム・一水和物を遊星ボールミルにより微粉末になるまで粉砕した。つぎに、上記の化学合成二酸化マンガン19.23gと水酸化リチウム・一水和物4.36gとを混合し、さらに遊星ボールミル中で充分に粉砕混合を行った。この混合物をプレス機を用いて、ペレット状に圧縮成形し、このペレットをアルミナボート中に入れ、管状電気炉中で焼成した。上記化学合成二酸化マンガン中のMn量と、水酸化リチウム・一水和物中のLi量とのモル比Li/Mnは0.47であった。
【0053】
焼成雰囲気は、アルゴンガス/酸素ガス=8/2(体積比)の混合ガスを原料混合物(すなわち、出発原料である化学合成二酸化マンガンと水酸化リチウム・一水和物との混合物)100gあたり1.0リットル/分の流量で供給して制御した。焼成は、まず昇温温度200℃/hで470℃まで昇温し、470℃で24時間保持して予備加熱をし、その後、100℃/hで800℃まで昇温し、800℃の温度で36時間保持することによって行った。その後、自然放冷を行い、焼成物の温度が80℃以下になった後、管状電気炉から焼成物を取り出し、乳鉢上で充分に粉砕混合を行った。
【0054】
上記のように焼成物を充分に粉砕混合した後、再度ペレット状に圧縮成形し、このペレットを上記と同様に焼成を行った。すなわち、200℃/hの昇温速度で800℃まで昇温し、800℃の温度で36時間保持して焼成した。その後、自然放冷で室温まで降温し、降温後、ペレットを瑪瑙乳鉢で充分に粉砕し、粉砕後の粉末を分級し、45μm以下の球状ないし楕円状の粉末を得た。このリチウムマンガン酸化物の粒子構造の倍率1510倍の電子顕微鏡写真を図1に示す。図1に示すように、得られたリチウムマンガン酸化物は球状ないし楕円状をしていた。
【0055】
また、得られたリチウムマンガン酸化物をエックス線回折により分析したところ、スピネル構造のLiMn2 4 に固有の回折線が観察され、不純物に基因するピークが認められなかったことから、得られたリチウムマンガン酸化物はスピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。さらに、得られたリチウムマンガン酸化物のLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定した。試料の調製は次のように行った。製造されたリチウムマンガン酸化物0.25gにイオン交換水10mlと12N塩酸l10mlを加え、リチウムマンガン酸化物が完全に溶解するまで加熱した。その後、室温まで放冷し、イオン交換水を加え、全量を100mlにして、分析用試料を調製した。各元素の分析は標準添加法で行った。分析結果より、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.01Mn1.993.88であることが判明した。また、リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を上記のLi、Mn、Oの組成分析と同様に原子吸光分析装置により測定したところ、Fe含有量は40ppmであった。
【0056】
また、得られたスピネル型リチウムマンガン酸化物の平均粒子径は、生成物の電子顕微鏡写真(倍率:500倍)を撮影し、写真中の個々の粒子の粒子径を測定し、粒子50個の粒子径の平均値を算出することによって求めた。その結果、平均粒子径は25μmであった。さらに、得られたスピネル型リチウムマンガン酸化物の比表面積をユアサアイオニクス製オートソーブー1を使用し、試料細孔の測定範囲を1〜100Åとして120℃で20時間脱気処理を行い、試料の測定環境真空度が10mTorr以下になったことを確認した後に、窒素ガスをプローブガスとして測定したところ、比表面積は1.0m2 /gであった。
【0057】
上記方法で製造されたスピネル型リチウムマンガン酸化物を用い、モデルセルを作製した。まず、上記スピネル型リチウムマンガン酸化物1.6g、アセチレンブラック0.3gおよびポリテトラフルオロエチレン0.1gをそれぞれ計り取り、乳鉢上で充分に混合した。これらの混合物がガム状になるまで充分に乳鉢上ですりつぶし、このガム状混合物を500μmのメッシュの篩に押しつけ、粉末状態にした。この粉末を40mg取り、直径10mmの白金網とともにプレス機で圧縮成形し、ペレット状電極を作製した。
【0058】
上記のように作製したペレット状電極を作用極とし、対極および参照極にリチウム箔を用い、LiPF6 をエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比1:3の混合溶媒に1.0mol/lの濃度に溶解させた非水溶液を電解液とし、モデルセルを作製して、正極活物質の評価を行った。
【0059】
さらに、サイクル特性評価用の電池を以下に説明する通りに作製した。バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン20gにN−メチル−2−ピロリドンを250g加え、60℃に加熱してポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させ、バインダー溶液を調製した。このバインダー溶液に上記のリチウムマンガン酸化物を正極活物質として450g加え、さらに電子伝導助剤としてカーボンブラック5gとグラファイト25gを加え、攪拌してスラリー状の塗料を調製した。
【0060】
この塗料を厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、乾燥した後、ローラープレス機により圧縮成形し、ついで裁断して、平均厚さが190μmで483mm×54mmの帯状正極を作製した。
【0061】
また、上記と同様のバインダー溶液を調製し、そのバインダー溶液に負極活物質として黒鉛180gを加え、攪拌してスラリー状の塗料を調製した。この塗料を厚さ18μmの銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥した後、ローラープレス機により圧縮成形し、ついで裁断して、平均厚さが140μmで522mm×56mmの帯状負極を作製した。
【0062】
つぎに、上記帯状正極と帯状負極との間に厚さ25μmの微孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを配置し、渦巻状に巻回して、渦巻状電極体とした後、外径18mmの有底円筒状の電池ケース内に挿入し、正極リード体および負極リード体の溶接を行った。
【0063】
その後、電池ケース内に1.0mol/lLiPF6 /EC+EMC(1+3)からなる電解液〔すなわち、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比1:3の混合溶媒にLiPF6 を1.0mol/l溶解させてなる非水電解液〕を4.0cc注入した。
【0064】
ついで、上記電池ケースの開口部を常法にしたがって封口し、図3に示す構造の筒形非水電解液二次電池を作製した。
【0065】
図3に示す電池について概略的に説明すると、1は前記の正極で、2は前記の負極である。ただし、図3では、繁雑化を避けるため、正極1や負極2の作製にあたって使用された基体としての金属箔などは図示しておらず、これらの正極1と負極2はセパレータ3を介して渦巻状に巻回され、渦巻状電極体として、上記組成の電解液と共に、ステンレス鋼製の電池ケース4内に収容されている。
【0066】
上記電池ケース4は負極端子を兼ねていて、その底部には絶縁体5が配置され、渦巻状電極体上にも絶縁体6が配置されている。そして、電池ケース4の開口部には環状の絶縁パッキング7を介して封口体8が配置され、電池ケース4の開口端部の内方への締め付けにより電池内部を密閉構造にしている。ただし、上記封口体8には、電池内部に発生したガスをある一定圧力まで上昇した段階で電池外部に排出して、電池の高圧下での破裂を防止するための不可逆式のベント機構が組み込まれている。
【0067】
実施例2
実施例1と同様の化学合成二酸化マンガンを用い、この化学合成二酸化マンガン中のMn量と、水酸化リチウム・一水和物中のLi量との比が、モル比で0.50となるように原料の混合を行った以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物を実施例1と同様に電子顕微鏡で観察したところ、形状は球状ないし楕円状であった。また、上記リチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.03Mn1.973.94であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は48ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は19μmで、比表面積は1.1m2 /gであった。
【0068】
実施例3
焼成温度を800℃から780℃に変更した以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物を実施例1と同様に電子顕微鏡で観察したところ、形状は球状ないし楕円状であった。また、上記リチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.02Mn1.983.98であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は43ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は23μmで、比表面積は1.0m2 /gであった。
【0069】
実施例4
焼成温度を800℃から820℃に変更した以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物を実施例1と同様に電子顕微鏡で観察したところ、形状は球状ないし楕円状であった。また、上記リチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.01Mn1.993.94であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は35ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は16μmで、比表面積は1.2m2 /gであった。
【0070】
実施例5
原料の化学合成二酸化マンガン中のFe含有量が98ppmである化学合成二酸化マンガンを用い、生成物のリチウムマンガン酸化物の分級を63μm以下の粒子とした以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物を実施例1と同様にその形状を電子顕微鏡で観察したところ、形状は球状ないし楕円状であった。また、上記リチウムマンガン酸化物をエックス線回析分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成は実施例1と同様にLi1.01Mn1.993.92であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は195ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は32μmで、比表面積は0.6m2 /gであった。
【0071】
実施例6
生成物のリチウムマンガン酸化物の分級を32μm以下の粒子とし、混合ガスを原料混合物100g当たり1.5リットル/分の流量で供給して制御した以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物を実施例1と同様に電子顕微鏡で観察したところ、形状は球状ないし楕円状であった。また、上記リチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.02Mn1.983.90であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は49ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は8μmで、比表面積は2.3m2 /gであった。
【0072】
比較例1
市販のLiMn2 4 (平均粒子径31μm、比表面積0.8m2 /g)を正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様にモデルセルと電池を作製した。上記市販のLiMn2 4 について、実施例1と同様に電子顕微鏡で観察したところ、形状は図2(倍率1500倍の電子顕微鏡写真)に示すように角張った形状をしていた。また、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は600ppmであった。
【0073】
比較例2
原料の化学合成二酸化マンガン中のFe含有量が512ppmである化学合成二酸化マンガンを使用し、この化学合成二酸化マンガン中のMn量と、水酸化リチウム・一水和物中のLi量との比が、モル比で0.525となるように原料の混合を行い、さらに生成物の分級を行わなかった以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.09Mn1.913.98であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は957ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は54μmで、比表面積は0.1m2 /gであった。
【0074】
比較例3
原料の化学合成二酸化マンガン中のFe含有量が329ppmである化学合成二酸化マンガンを使用し、この化学合成二酸化マンガン中のMn量と、水酸化リチウム・一水和物中のLi量との比が、モル比で0.525となるように原料の混合を行い、かつ焼成温度を850℃に変更し、生成物の分級を行わなかった以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.08Mn1.923.96であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は643ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は62μmで、比表面積は0.1m2 /gであった。
【0075】
比較例4
原料の化学合成二酸化マンガン中のFe含有量が481ppmである化学合成二酸化マンガンを使用し、この化学合成二酸化マンガン中のMn量と、水酸化リチウム・一水和物中のLi量との比が、モル比で0.525となるように原料の混合を行い、かつ焼成温度を750℃に変更し、生成物の分級を行わなかった以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.08Mn1.923.93であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は918ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は60μmで、比表面積は0.1m2 /gであった。
【0076】
比較例5
アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスの流量を原料混合物100gあたり0.1リットル/分に変更した以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造した。製造されたリチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、得られたリチウムマンガン酸化物はLiMn2 4 とLi2 MnO3 との混合物であり、その他に反応中間生成物としてMn2 3 が生成しており、スピネル構造のみのリチウムマンガン酸化物は得られていなかった。
【0077】
比較例6
アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスの流量を原料混合物100gあたり0.6リットル/分に変更した以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造した。製造されたリチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、得られたリチウムマンガン酸化物はLiMn2 4 とLi2 MnO3 との混合物であり、その他に反応中間生成物としてMn2 3 が生成しており、スピネル構造のみのリチウムマンガン酸化物は得られていなかった。
【0078】
比較例7
Mnの原料としてあらかじめ45μmに分級した電解合成二酸化マンガン(
この電解合成二酸化マンガンのFe含有量は205ppmである)を用い、この電解合成二酸化マンガンのMn量と、水酸化リチウム・−水和物中のLi量との比が、モル比で0.525となるように原料の混合を行い、かつ焼成温度を750℃とし、生成物の分級を行わなかった以外は、実施例1と同様にリチウムマンガン酸化物を製造し、モデルセルと電池を作製した。製造されたリチウムマンガン酸化物をエックス線回折分析により確認したところ、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物であることが確認された。また、実施例1と同様に電子顕微鏡で観察したところ、形状は比較例1と同様の角張った形状をしていた。また、実施例1と同様にLi、Mn、Oの組成を原子吸光分析装置で測定したところ、製造されたリチウムマンガン酸化物の組成はLi1.10Mn1.903.92であった。さらに、このスピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を実施例1と同様に原子吸光分析装置で測定したところ、Fe含有量は413ppmであった。また、実施例1と同様に平均粒子径および比表面積を測定したところ、平均粒子径は37μmで、比表面積は0.5m2 /gであった。
【0079】
上記のようにして作製した各モデルセルについて放電容量と負荷特性を調べ、電池についてはサイクル特性と低温時の放電特性を調べた。その結果を表1に示す。放電容量は、20℃の環境下でそれぞれのモデルセルを4.3Vvs.Li/Li+ まで充電した後、20℃の環境下で0.5mA/cm2 の電流密度で3.0Vvs.Li/Li+ まで放電させた時の放電容量を測定し、それを正極活物質の重量当たりの放電容量に換算して示した。負荷特性は、4.0mA/cm2 の電流密度で3.0Vvs.Li/Li+ まで放電させた時の放電容量と0.5mA/cm2 の電流密度で3.0Vvs.Li/Li+ まで放電させた時の放電容量との割合〔(4.0mA/cm2 の電流密度での放電容量)/(0.5mA/cm2 の電流密度での放電容量)×100〕を求めて示した。
【0080】
また、サイクル特性は、20℃の環境下で1Aの定電流で4.2Vまで充電した後、定電圧方式で充電を行い、充電時間の合計が2.5時間となるように充電した後、20℃の環境下で1Aの定電流で3.0Vまで放電した時のサイクル試験において、500サイクル目の放電容量と1サイクル目の放電容量との比〔(500サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)×100〕を求めて、容量保持率とし、そのサイクル500回目の容量保持率で評価するものとした。
【0081】
さらに、低温時の放電特性は、−20℃の環境下で0.2Aの定電流で3.0Vまで放電させた時の放電容量と、20℃の環境下で0.2Aの定電流で3.0Vまで放電させた時の放電容量との割合〔(−20℃での放電容量)/(20℃での放電容量)×100〕で評価を行った。上記低温時の放電特性の測定にあたって充電条件は、いずれの温度の放電に際しても20℃の環境下で1Aの定電流で4.2Vまで充電した後、定電圧方式で充電を行い、充電時間の合計が2.5時間となるように充電した。その後、所定の放電温度で電池を4時間放置後、放電試験を開始した。
【0082】
【表1】

Figure 0003982658
【0083】
表1に示すように、実施例1〜6は、比較例1〜7に比べて、放電容量が大きく、高容量であり、かつ500サイクル目の容量保持率が大きく、サイクル特性が優れていた。上記のように、実施例1〜6の放電容量が大きいことなどからもわかるように、実施例1〜6で用いたスピネル型リチウムマンガン酸化物は球状ないし楕円状の粒子であるため、正極の作製にあたっての充填性も良好であったと考えられる。また、実施例1〜6は放電容量が大きく、かつ負荷特性が優れていた。これは、実施例1〜6では、Fe含有量が200ppm以下のスピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いたことによるものと考えられる。さらに、実施例1〜6は低温時の放電特性も優れていた。これは、実施例1〜6では、平均粒子径が1〜45μmの範囲内にあり、かつ比表面積が0.5〜3m2 /gの範囲内にあるスピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いたことによるものと考えられる。
【0084】
これに対して、組成が一般式Lix Mny 4-z (x+y=3.00とした時、1.00≦x≦1.05、0<z≦0.15、ただし、xは電池組立時の値であり、充放電に際し0<x≦1.05の範囲で変化する値である)の範囲から外れるリチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いた比較例1〜7は、実施例1〜6に比べて、放電容量が小さく、サイクル特性が悪かった。また、比較例2〜7のように、本発明の製造条件から外れた場合は、本発明のような放電容量が大きく、かつサイクル特性が優れたリチウムマンガン酸化物を製造することができなかった。また、Fe含有量が200ppmより多いスピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いた比較例2〜4では負荷特性が悪く、特に比較例5や比較例6ではスピネル構造のみのリチウムマンガン酸化物を得ることができなかった。さらに、比較例1〜7は、平均粒子径が1〜45μmの範囲外で、比表面積も0.5〜3m2 /gの範囲外にあるため、低温時の放電特性が悪かった。
【0085】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、一般式Lix Mny 4-z (x+y=3.00とした時、1.00≦x≦1.05、0<z≦0.15、ただし、xは電池組立時の値であり、充放電に際し0<x≦1.05の範囲で変化する値である)で表される球状ないし楕円状のスピネル型リチウムマンガン酸化物で正極活物質を構成することにより、資源的に豊富で安価なマンガンを構成元素として用い、非水電解液二次電池に高容量と優れたサイクル特性を付与することができる非水電解液二次電池用正極活物質を提供することができた。また、本発明では、上記スピネル型リチウムマンガン酸化物中のFe含有量を200ppm以下にし、そのFe含有量を200ppm以下にしたスピネル型リチウムマンガン酸化物を正極活物質として用いることにより、放電容量が大きく、かつ、負荷特性が優れた非水電解液二次電池を提供することができた。さらに、本発明では、上記スピネル型リチウムマンガン酸化物の平均粒子径を1〜45μmの範囲内にし、比表面積を0.5〜3m2 /gの範囲内にして正極活物質として用いることにより、低温時の放電特性が優れた非水電解液二次電池を提供することができた。
【0086】
また、本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物は、球状ないし楕円状の粒子であるから、正極の作製にあたって充填性が良く、また、資源的に豊富で安価なマンガンを構成元素としているので、大量生産にも適しており、その産業上の意義が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスピネル型リチウムマンガン酸化物の粒子構造を示す倍率1510倍の電子顕微鏡写真である。
【図2】市販のLiMn2 4 の粒子構造を示す倍率1500倍の電子顕微鏡写真である。
【図3】非水電解液二次電池の一例を模式的に示す部分断面斜視図である。
【符号の説明】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電池ケース
5 絶縁体
6 絶縁体
7 絶縁パッキング
8 封口体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material. More specifically, the present invention relates to a high capacity and excellent cycle characteristics. Non-aqueous electrolyte for non-aqueous electrolyte secondary battery capable of providing a non-aqueous electrolyte secondary battery, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte having high capacity and excellent cycle characteristics using the positive electrode active material The present invention relates to a secondary battery.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and laptop computers, and the practical application of electric vehicles, secondary batteries with small size and light weight and high capacity have been required. Currently, as a high-capacity secondary battery that meets this requirement, LiCoO as a positive electrode active material2Lithium ion secondary batteries using a carbon-based material as a negative electrode active material have been commercialized. LiCoO used as the positive electrode active material of this lithium ion secondary battery2Is widely used as a preferred positive electrode active material because it is easy to manufacture and easy to handle.
[0003]
However, LiCoO2Is manufactured using cobalt (Co), a rare metal, as a raw material, and it is expected that resource shortages will become serious in the future. Further, since the price of cobalt itself is high and the price fluctuates greatly, development of a positive electrode material that is inexpensive and stable in supply is desired.
[0004]
Therefore, LiCoO2Research has been conducted on lithium ion secondary batteries using spinel-structured lithium manganese oxide, nickel nickelate, lithium titanate, or the like as a positive electrode active material that can be used as an alternative. Among these lithium-containing composite oxides, lithium manganese oxide having a spinel structure with manganese as a constituent element, whose constituent elements are inexpensive and stable in supply, is LiCoO.2As a positive electrode active material that can replace
[0005]
This spinel-type lithium manganese oxide includes Li2MnFourO9, LiFourMnFiveO12, LiMn2OFourAmong them, especially LiMn2OFourHas been actively researched (Japanese Patent Laid-Open No. 6-76824, Japanese Patent Laid-Open No. 7-73883, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-230802). JP, 7-245106, A, etc.).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, LiCoO2The theoretical discharge capacity of 274 mAh / g is LiCoO when deep charge / discharge is performed.2Causes a phase change and affects the cycle life, so that a practical discharge capacity in an actual lithium ion secondary battery is in the range of 125 to 140 mAh / g. In contrast, LiMn2OFourThe theoretical discharge capacity is 148 mAh / g.2OFourLiCoO2In the same way as in the case of using a carbon-based material as a negative electrode active material during a charge / discharge, and because the irreversible capacity of the carbon-based material is large, the discharge capacity that can be used when actually making a battery Is about 90 to 105 mAh / g. As is clear from this, LiMn2OFourWhen Li is used as the positive electrode active material, LiCoO2The battery capacity cannot be increased as compared with the case where is used as the positive electrode active material.
[0007]
LiCoO2The true density of 4.9-5.1 g / cmThreeWhereas LiMn2OFourThe true density of is 4.0-4.2 g / cmThreeIn view of the filling property as the positive electrode active material, there is a disadvantage in terms of capacity. In addition, LiMn2OFourIn a lithium ion secondary battery using as a positive electrode active material, LiMn during charging and discharging2OFourSince its structure is unstable, the cycle characteristics are LiCoO2There is also a problem that it is shorter than the battery.
[0008]
Furthermore, since a non-aqueous electrolyte using an organic solvent is used as the electrolyte solvent in the lithium ion secondary battery, the conductivity of ions in the electrolyte is low, so that a large current is taken out from the battery. When a heavy load is applied, the decrease in discharge voltage is greater than during low-load discharge, resulting in a problem that the battery capacity cannot be taken out sufficiently, and because the polarization of the positive electrode active material is large, the environmental temperature during battery use is low. However, there is a problem that the discharge voltage is greatly lowered compared with the discharge characteristics at room temperature, and the battery capacity is remarkably difficult to take out.
[0009]
In light of the above-described conventional circumstances, a first object of the present invention is to provide a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery that is structurally stable and has a high capacity. A second object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that uses the positive electrode active material and has a high capacity and excellent cycle characteristics. Furthermore, the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery that improves the utilization rate of the positive electrode active material, has excellent load characteristics, and has excellent discharge characteristics at low temperatures, according to the recent usage environment of secondary batteries. The third purpose is to provide
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have been produced using chemically synthesized manganese dioxide having a Fe content of 98 ppm or less as a manganese source as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. , General formula LixMnyO4-z(When x + y = 3.00, 1.00 ≦ x ≦ 1.05, 0 <z ≦ 0.15, where x is a value when assembling the battery, and 0 <x ≦ 1.05 during charging and discharging. When a spinel type lithium manganese oxide having a spherical or elliptical shape and an Fe content of 200 ppm or less is used, it has a discharge capacity closer to the theoretical discharge capacity and a high capacity. It was also found that a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics and excellent load characteristics can be obtained. Further, the present inventors also have the general formula LixMyO4-zThe mixing ratio of chemically synthesized manganese dioxide having a Fe content of 98 ppm or less and a lithium salt is set to Li / Mn ≦ 0.50 in terms of the molar ratio of Li and Mn. It has also been found that it can be produced by firing at 780 to 820 ° C. while supplying a mixed gas with oxygen gas at a flow rate of 1 liter / min or more per 100 g of the raw material mixture. Furthermore, the present inventors set the specific surface area of the spinel type lithium manganese oxide to 0.5 to 3 m.2It has also been found that a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent discharge characteristics at low temperatures can be obtained by setting the average particle size to 1 to 45 μm within the range of / g.
[0011]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically. First, the characteristics of the spinel type lithium manganese oxide as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery will be described. In the spinel type lithium manganese oxide, the content ratio of its constituent elements Li, Mn, O However, it greatly affects the electrochemical capacity.
[0012]
Conventional LiMn2OFourAs is clear from the composition ratio, the average valence of Mn is 3.5, and usually, an equal amount of trivalent Mn and tetravalent Mn are mixed. However, only trivalent Mn is actually involved in charging and discharging, and LiMn2OFourIt has been clarified that the discharge capacity increases as the amount of trivalent Mn in the composition increases. Therefore, in order to increase trivalent Mn, LiMn2OFourIt is conceivable to use lithium manganese oxide with a reduced amount of oxygen in the crystal structure.
[0013]
However, when the amount of trivalent Mn increases, LiMn2OFourFrom cubic spinel structure to tetragonal LiMnO2A phase change occurs. This tetragonal LiMnO2Can be charged and discharged in the 3V region at a lithium potential, but cannot be used when a high potential in the vicinity of 4V is required. LiMn2OFourThe oxygen content in LiMn2OFourIt is important to determine the valence of Mn therein, and when the oxygen content is high, tetravalent Mn increases, and when the oxygen content is low, trivalent Mn increases. Because trivalent Mn is a yarn-teller effect, the material itself is likely to undergo phase change when valence changes, and LiMn during charge / discharge2OFourThis structure is unstable, and the spinel phase is likely to be destroyed as Li ions enter and exit.
[0014]
LiMn2OFourThe amount of Li changes in the range of 0 to 1.00 by doping and dedoping Li in the crystal structure, and electrochemical charging / discharging is possible, but if the amount of Li in the crystal structure is small Since the amount of Li that can be used for charging and discharging decreases, the electrochemical capacity decreases. Therefore, it is desirable that the Li content is as high as possible, but excess Li exceeding the stoichiometric composition is LiMn.2OFourIn this case, the lithium enters the 16d site where Mn should occupy, and Li which enters the 16d site of Mn does not participate in charge / discharge. Furthermore, when Li enters the 16d site of Mn, LiMn2OFourThe tetravalent Mn therein increases and the charge / discharge capacity decreases. Accordingly, when the lithium manganese oxide is expressed as x = y = 3.00 and x + y = 3.00, the Li content is preferably 1.00 but the oxygen content is O.4-zWhen (0 <z ≦ 0.15), a large amount of trivalent Mn can be contained even when the amount of Li is 1.00 or more. On the other hand, if the amount of Li becomes too large, a large amount of impurity phase is generated, so the amount of Li is preferably 1.00 or more and 1.05 or less, and more preferably 1.01 or more and 1.03 or less.
[0015]
In the general formula, O4-ZWhen the oxygen content indicated by is too large, tetravalent Mn increases as described above, and the charge / discharge capacity decreases, so the oxygen content is preferably less than 4 and 3.85 or more, 3.98 or less and 3.88 or more are more preferable.
[0016]
The spinel-type lithium manganese oxide of the present invention undergoes charge / discharge cycles when Li (lithium) in the crystal structure is doped / undoped, and the composition during battery assembly and charge / discharge cycles is as follows. become that way.
Composition during battery assembly
LixMnyO4-z
(X + y = 3.00, 1.00 <x ≦ 1.05, 0 <z ≦ 0.15)
Charging / discharging composition
Lix 'MnyO4-z
(0 <x ′ ≦ 1.05, 1.95 / 4.00 <y / (4-z) ≦ 2.00 / 3.85)
At the time of charging / discharging, the amount of lithium changes in the range of 0 <x ′ ≦ 1.05, and the ratio of manganese to oxygen amount is 1.95 / 4.00 <y / (4-z) ≦ 2.00 / It will be within the range of 3.85.
[0017]
Based on the above knowledge, the present invention, with respect to lithium manganese oxide, maintains as much spinel structure as possible, contains as much trivalent Mn as possible, increases discharge capacity, and fully supports 4V class high potential. It is something that can be done. That is, the present invention relates to the general formula LixMnyO4-z(When x + y = 3.00, 1.00 ≦ x ≦ 1.05, 0 <z ≦ 0.15, where x is a value when assembling the battery, and 0 <x ≦ 1.05 during charging and discharging. The spinel type lithium manganese oxide of the present invention is a conventional positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery composed of a spinel type lithium manganese oxide. Compared to lithium manganese oxide, the oxygen content in the crystal structure is suppressed, and even when a large amount of trivalent Mn is contained, the cycle life is long and the cycle characteristics are excellent.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The spinel type lithium manganese oxide of the present invention has the general formula Li as described above.xMnyO4-z(When x + y = 3.00, 1.00 ≦ x ≦ 1.05, 0 <z ≦ 0.15, where x is a value when assembling the battery, and 0 <x ≦ 1.05 during charging and discharging. In the detailed description of the spinel type lithium manganese oxide, the conventional LiMn2OFourAs for the shape and production raw materials, LiMn2OFourIn general, electrolytically synthesized manganese dioxide is used as a production raw material. However, LiMn produced using this conventional electrolytically synthesized manganese dioxide2OFour2 has an angular shape as shown in the electron micrograph of FIG. 2 (in FIG. 2, the portion that appears whitish is LiMn).2OFourParticles).
[0019]
In a non-aqueous electrolyte secondary battery, it is necessary to increase the density of the positive electrode mixture to increase the capacity, but the LiMn has the angular shape as described above.2OFourThen, because of the angular shape, there is a problem that the mixture density cannot be increased and the filling density is lowered.
[0020]
The spinel type lithium manganese oxide of the present invention can meet such demands, and as shown in FIG. 1 (the portion shown in whitish in FIG. 1 is the spinel type lithium manganese oxide of the present invention). It is considered that the electrochemical reaction in the active material particles proceeds uniformly, and thus a large discharge capacity can be expected. When spinel type lithium manganese oxide is used as the positive electrode active material, the packing density of the positive electrode mixture can be increased, and a high capacity non-aqueous electrolyte secondary battery can be obtained. In the present invention, when expressing the shape of the spinel type lithium manganese oxide, it is expressed as spherical or elliptical, but this is all from a spherical shape to a substantially elliptical shape (that is, from a substantially spherical shape). It is meant that any shape included therein may also be included.
[0021]
As will be described in detail later, the spinel type lithium manganese oxide of the present invention preferably has an average particle size of 1 to 45 μm, and particularly an average particle size of 1 to 25 μm, in order to increase charge / discharge efficiency. preferable. In addition, the specific surface area is 0.5 to 3 m in order to increase the effective reaction area.2/ G is preferred, especially 1 to 3 m2/ G is preferred.
[0022]
In addition, when the spinel type lithium manganese oxide is used as the positive electrode active material by setting the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide to 200 ppm or less, the present inventors have the charge / discharge capacity and cycle. It has been found that the load characteristics can be improved as well as the characteristics.
[0023]
That is, transition metals other than manganese are mixed in the process of producing chemically synthesized manganese dioxide, which is a raw material of the lithium manganese oxide of the present invention. It has been found that when lithium manganese oxide is synthesized using manganese dioxide as a raw material, the charge / discharge capacity of the product can be further improved, and a nonaqueous electrolyte secondary battery with excellent load characteristics can be obtained. The reason for this is not necessarily clear at present, but the present inventors have considered that when manganese dioxide containing Fe is used, iron oxide or Fe that does not contribute to the charge / discharge reaction in the formation process of lithium manganese oxide is used. It is considered that the contained lithium oxide is generated, which causes the load characteristics to deteriorate. Therefore, by using manganese dioxide with a low Fe content, the generation of those impurities is suppressed, and the Fe content in the lithium manganese oxide is reduced to 200 ppm or less, so that doping and dedoping are performed in the charge / discharge reaction. It is considered that the efficiency of lithium ion diffusion in the solid phase can be improved, and not only the charge / discharge capacity can be improved, but also the load characteristics can be improved.
[0024]
Moreover, in order to synthesize one equivalent of the product lithium manganese oxide, two equivalents of manganese dioxide as a raw material are required, so the Fe component which is an impurity in manganese dioxide is about twice that in lithium manganese oxide. Therefore, it is considered that the Fe component concentration in manganese dioxide is very likely to affect the load characteristics of the spinel type lithium manganese oxide.
[0025]
According to the study by the present inventors, the lithium manganese oxide is used as a positive electrode active material by setting the Fe content in the lithium manganese oxide to 200 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and even more preferably 50 ppm or less. It was found that a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high charge / discharge capacity and excellent load characteristics can be obtained.
[0026]
In addition, the present inventors have preferred that the particle size of the spinel-type lithium manganese oxide is 1 to 45 μm as the average particle size, and particularly preferably 1 to 25 μm as the average particle size in order to increase charge / discharge efficiency. The specific surface area is 0.5 to 3 m in order to increase the effective reaction area.2/ G is preferred, especially 1 to 3 m2/ G is preferred, the general formula Li of the present inventionxMnyO4-zBy making the spherical or elliptical spinel-type lithium manganese oxide represented by the above average particle diameter and specific surface area, the progress of the electrochemical reaction becomes advantageous, and not only the charge / discharge capacity and cycle characteristics It was found that the discharge characteristics at low temperature can also be improved.
[0027]
The average particle size of the spinel type lithium manganese oxide of the present invention is 1 to 45 μm, and the specific surface area is 0.5 to 3 m.2The reason why not only the excellent charge / discharge capacity and cycle characteristics but also the discharge characteristics at a low temperature can be improved by setting to / g is not necessarily clear at present, but is considered as follows. That is, the positive electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a paste in which the spinel type lithium manganese oxide is dispersed in a solvent together with a binder, and this is applied onto a substrate serving as a current collector and dried. The average particle diameter of the spinel type lithium manganese oxide is 1 μm or more and the specific surface area is 3 m.2/ G or less can suppress aggregation of the spinel-type lithium manganese oxide particles in the positive electrode mixture paste and improve the wettability of the spinel-type lithium manganese oxide particles to the solvent. The amount of solvent used can be reduced. Although the solvent remaining in the active material-containing layer (that is, the positive electrode mixture layer) after drying the paste affects the load characteristics, the spinel type lithium manganese oxide of the present invention reduces the amount of solvent used as described above. Therefore, it is possible to reduce the residual solvent in the positive electrode mixture, and to lower the drying temperature of the paste applied on the substrate, which contributes to the battery characteristics during the positive electrode manufacturing process. The distribution of spinel-type lithium manganese oxide, binder, and electron conduction aid in the positive electrode mixture after drying the paste becomes uniform, improving the load characteristics, thereby improving not only the charge / discharge capacity and cycle characteristics but also at low temperatures. It is considered that the discharge characteristics of the battery will be improved.
[0028]
On the other hand, the average particle size of spinel type lithium manganese oxide is 45 μm or less and the specific surface area is 0.5 m.2/ G or more facilitates the progress of the electrochemical reaction on the surface of the spinel-type lithium manganese oxide particles, and the fine lithium manganese oxide can be obtained. The density can be further increased, and the effect of the spherical or elliptical particle shape of the present invention can be expressed more remarkably. The average particle diameter referred to in the present invention is an electron micrograph (magnification: 500 times), which is a value obtained by measuring the particle diameter of individual particles in the photograph and calculating the average value of the particle diameters of 50 particles. The specific surface area means that 1 g of a sample is deaerated at 120 ° C. for 20 hours, and the nitrogen adsorption method (manufactured by Yuasa Ionix Co., Ltd.) is applied to pores of 1 to 100 mm after the measurement environment vacuum degree is 10 mTorr or less The value obtained from the measurement with the adsorbent at the time of measurement with the autosorb 1).
[0029]
Next, the method for producing the spinel type lithium manganese oxide of the present invention will be described. As the manganese source, chemically synthesized manganese dioxide is used, and in this case, it is preferable to use a spherical or elliptical one. By using this spherical or elliptical chemically synthesized manganese dioxide, the obtained spinel type lithium manganese oxide can be made spherical or elliptical. In order to produce the spinel type lithium manganese oxide having the above average particle size and specific surface area, the particle size of manganese dioxide is preferably 1 to 45 μm in terms of average particle size, and more preferably 1 to 25 μm in terms of average particle size. In addition, in order to make the Fe content in the obtained spinel type lithium manganese oxide 200 ppm or less, chemically synthesized manganese dioxide having a low Fe content is used, and the temperature is within the range of the production conditions of the present invention described later. It is preferable to appropriately select the atmosphere, gas flow rate, and the like.
[0030]
Chemically synthesized manganese dioxide having a low Fe content as described above is used in the process of producing manganese dioxide, from the stage where manganese is dissolved as an ion in an aqueous solution, and then the Fe component is salted by addition of calcium carbonate or sulfurization. Can be produced by adjusting the pH in the solution and the amount added. Also, in the process of precipitating manganese ions with ammonium carbonate or the like and taking it out as manganese carbonate, the Fe component simultaneously precipitates when the pH or addition amount in the solution is not sufficiently adjusted in the above-described process. Although there is a possibility, manganese dioxide with a low Fe content can be produced by adjusting the addition amount of ammonium carbonate or the like and the pH in the solution.
[0031]
As the lithium source, various lithium salts can be used. For example, lithium hydroxide monohydrate, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium acetate, lithium bromide, lithium chloride, lithium citrate, lithium fluoride, iodine Lithium fluoride, lithium lactate, lithium oxalate, lithium phosphate, lithium pyruvate, lithium sulfate, lithium oxide, etc. are mentioned. Among them, gases that adversely affect the environment such as carbon oxide, nitrogen oxide, sulfur oxide are generated Lithium hydroxide monohydrate is preferable in that it does not.
[0032]
In the production of the spinel type lithium manganese oxide of the present invention, the charge ratio of manganese dioxide and lithium salt is Li / Mn ≦ 0.5, especially 0.45 ≦ Li / Mn ≦ 0, as a mixed molar ratio of Li and Mn. .49 is preferred. It is preferable to set the mixed molar ratio of Li and Mn to 0.5 or less. When the mixed molar ratio of Li / Mn is larger than 0.5, reaction intermediate products and the like are likely to remain, This is because the intermediate product may inhibit the charge / discharge reaction in the battery system and reduce the charge / discharge capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery.
[0033]
Moreover, at the time of manufacturing the spinel type lithium manganese oxide of the present invention, it is preferable that the above manganese dioxide and lithium salt are mixed and pelletized to be fired. That is, since the reaction is carried out by solid phase reaction, the reaction proceeds by diffusion in the solid phase of the raw material. By pelletizing, the contact between the lithium salt particles of the raw material and the manganese dioxide particles is improved, and the reaction is further improved. Becomes easier to progress. The size of the pellet is preferably 5 to 15 mm.
[0034]
And baking at the time of manufacture of the spinel type lithium manganese oxide of this invention heats up to 780-820 degreeC, and it is preferable to hold | maintain at that temperature for 24 to 36 hours. By baking at 780-820 degreeC, the crystallinity of the lithium manganese oxide to produce | generate improves and it becomes easy to form a spinel type manganese structure. When the firing temperature is lower than 780 ° C., the discharge capacity is reduced due to the decrease in crystallinity of the product spinel-type lithium manganese oxide and the generation of impurities, and when the firing temperature is higher than 820 ° C., the spinel-type lithium manganese oxide Since the difference between the charge capacity and the discharge capacity, that is, the irreversible capacity increases, the discharge capacity decreases.
[0035]
As the heat treatment for the firing, it is preferable to raise the temperature to 780 to 820 ° C. after preheating from 250 to 500 ° C. which is the melting point of the lithium salt from room temperature, rather than raising the temperature to 780 to 820 ° C. all at once. . This is because the reaction between the lithium salt and manganese dioxide occurs in stages, and spinel-type lithium manganese oxide is formed via the intermediate product, so that the first stage for forming each intermediate product. This is for preheating as a reaction. When the temperature is raised to 780-820 ° C. at once, the lithium salt and manganese dioxide partially react to the final stage, and the spinel type lithium manganese oxide generated thereby is unreacted. May interfere with the reaction of things. In order to shorten the firing time for obtaining the intended spinel type lithium manganese oxide, it is effective to perform heating stepwise. The preheating time is not particularly limited, but usually 12 to 30 hours are preferable, and it is preferable that the temperature is raised from room temperature to near the melting point of the lithium salt and further heated while maintaining the temperature.
[0036]
The atmosphere for the heat treatment including the firing and preheating is preferably performed in a mixed atmosphere of an inert gas such as argon, helium, and nitrogen and oxygen gas. The mixing ratio of these gases is preferably in the range of 5/5 to 9/1, more preferably in the range of 8/2 to 9/1, by the volume ratio of inert gas / oxygen gas. As described above, by setting the inert gas / oxygen gas to a volume ratio of 5/5 to 9/1, the progress of the reaction is facilitated, and the spinel-type lithium manganese oxide containing no impurities can be easily obtained. It becomes like this.
[0037]
The flow rate of the mixed gas of the inert gas and oxygen gas is preferably 1 liter / min or more per 100 g of the starting raw material mixture, and more preferably 1 to 5 liter / min per 100 g of the raw material mixture. When the gas flow rate is small, that is, when the gas flow rate is slow, the reactivity to the spinel structure is different, and Mn2OThreeOr Li2MnOThreeSuch impurities may remain.
[0038]
In order to produce a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery using the spinel type lithium manganese oxide of the present invention as the positive electrode active material, for example, the lithium manganese oxide, for example, flake graphite In addition, an electron conduction assistant such as acetylene black and a binder such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride may be added and mixed, and the resulting positive electrode mixture may be formed by an appropriate means.
[0039]
As an active material of the negative electrode facing the positive electrode, lithium or a lithium-containing compound is used, and examples of the lithium-containing compound include lithium alloys and other compounds. Examples of the lithium alloy include lithium-aluminum, lithium-lead, lithium-indium, lithium-gallium, and lithium-indium-gallium. Examples of lithium-containing compounds other than lithium alloys include tin oxide, silicon oxide, nickel-silicon alloys, magnesium-silicon alloys, carbon materials having a disordered layer structure, graphite, tungsten oxide, and lithium iron composite oxide. Such as things. Some of these exemplary lithium-containing compounds do not contain lithium at the time of production, but when they act as a negative electrode active material, they are in a state containing lithium. Of these, graphite is particularly preferable because of its large capacity density.
[0040]
The negative electrode is mixed with the negative electrode active material, if necessary, by adding the same binder or electron conduction aid as in the case of the positive electrode active material, and molding the obtained negative electrode mixture by an appropriate means. Produced.
[0041]
The positive electrode and negative electrode forming means include pressure forming a positive electrode mixture and a negative electrode mixture, or forming a positive electrode mixture and a negative electrode mixture into a paste or slurry with water or other appropriate solvent. Various means can be employed such as coating or impregnating the coating material on the substrate that also serves as a current collector and drying to form a coating film on the substrate. However, when forming the coating film on the latter substrate Is suitable.
[0042]
As an application method for applying the paint to the substrate, various application methods such as an extrusion coater, a reverse roller, a doctor blade, and the like can be employed. In addition, as a substrate for electrodes such as a positive electrode and a negative electrode, for example, a metal net such as aluminum, stainless steel, titanium, copper, punched metal, expanded metal, foam metal, foil, or the like is used.
[0043]
The ratio of the amount of active material between the positive electrode and the negative electrode varies depending on the type of the negative electrode active material, but is preferably positive electrode active material / negative electrode active material = 1.5 to 3.5 (weight ratio).
[0044]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery using the spinel type lithium manganese oxide of the present invention as the positive electrode active material, an organic solvent-based non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent is used as the electrolyte solution. The solvent of the electrolytic solution is not particularly limited, but it is particularly suitable to use a chain ester as the main solvent. Examples of such chain esters include chain COO-bonds such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl acetate (EA), and methyl propionate (MP). An organic solvent having The fact that this chain ester is the main solvent of the electrolytic solution means that these chain esters occupy a volume of more than 50% by volume in the total electrolyte solvent, and in particular, the chain ester is the total solvent. It is preferable that 65% by volume or more in the electrolyte solvent, especially the chain ester occupies 70% by volume or more in the entire electrolyte solvent, and in particular, the chain ester occupies 75% by volume or more in the total electrolyte solvent. Is preferred.
[0045]
As the solvent of the electrolytic solution, it is preferable to use this chain ester as the main solvent because the battery ester, particularly the low-temperature characteristics, is improved when the chain ester exceeds 50% by volume in the total electrolyte solvent. This is because that.
[0046]
However, as the electrolyte solvent, in order to improve battery capacity rather than using only the above-mentioned chain ester, an ester having a high induction rate (ester having an induction rate of 30 or more) is mixed with the chain ester. It is preferable to use it. The amount of such an ester having a high dielectric constant in the total electrolyte solvent is preferably 10% by volume or more, particularly preferably 20% by volume or more. That is, when the ester having a high dielectric constant becomes 10% by volume or more in the total electrolyte solvent, the capacity is clearly improved, and when the ester having a high dielectric constant becomes 20% by volume or more in the total electrolyte solvent. The increase in capacity becomes even clearer. However, if the volume of the ester having a high dielectric constant in the total electrolyte solvent is too large, the discharge characteristics of the battery tend to deteriorate. As mentioned above, it is preferably 10% by volume or more, more preferably 20% by volume or more, preferably 40% by volume or less, more preferably 30% by volume or less, and further preferably 25% by volume or less.
[0047]
Examples of the ester having a high dielectric constant include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone (γ-BL), ethylene glycol sulfite (EGS), and the like. In particular, cyclic structures such as ethylene carbonate and propylene carbonate are preferred, cyclic carbonates are particularly preferred, and ethylene carbonate (EC) is most preferred.
[0048]
Examples of the solvent that can be used in combination with the ester having a high dielectric constant include 1,2-dimethoxyethane (1,2-DME), 1,3-dioxolane (1,3-DO), and tetrahydrofuran (THF). , 2-methyl-tetrahydrofuran (2-Me-THF), diethyl ether (DEE) and the like. In addition, amine imide organic solvents, sulfur-containing or fluorine-containing organic solvents, and the like can also be used.
[0049]
As an electrolyte of the electrolytic solution, for example, LiClOFour, LiPF6, LiBFFour, LiAsF6, LiSbF6, LiCFThreeSOThree, LiCFourF9SOThree, LiCFThreeCO2, Li2C2FFour(SOThree)2, LiN (CFThreeSO2)2, LiC (CFThreeSO2)Three, LiCnF2n + 1SOThree(N ≧ 2) and the like are used alone or in combination of two or more. Especially LiPF6And LiCFourF9SOThreeAre preferable because of good charge / discharge characteristics. The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably about 0.3 to 1.7 mol / l, particularly about 0.4 to 1.5 mol / l.
[0050]
As the separator, a separator having sufficient strength and capable of holding a large amount of electrolyte is good. From such a viewpoint, the thickness is 10 to 50 μm, and the porosity is 30 to 70%. A microporous film or a nonwoven fabric made of a copolymer with ethylene is preferable.
[0051]
【Example】
Examples of the present invention will be described below. However, this invention is not limited only to those Examples.
[0052]
Example 1
Chemically synthesized manganese dioxide having a spherical shape (the Fe content in this manganese dioxide is 21 ppm) was previously classified to 45 μm or less. Further, granular lithium hydroxide monohydrate as a lithium source was pulverized by a planetary ball mill until it became a fine powder. Next, 19.23 g of the above chemically synthesized manganese dioxide and 4.36 g of lithium hydroxide monohydrate were mixed, and further sufficiently pulverized and mixed in a planetary ball mill. This mixture was compression-molded into pellets using a press, and the pellets were placed in an alumina boat and fired in a tubular electric furnace. The molar ratio Li / Mn between the amount of Mn in the chemically synthesized manganese dioxide and the amount of Li in lithium hydroxide monohydrate was 0.47.
[0053]
The firing atmosphere is a mixture of argon gas / oxygen gas = 8/2 (volume ratio) as a raw material mixture (that is, a mixture of chemically synthesized manganese dioxide and lithium hydroxide / monohydrate as starting materials) per 100 g. Controlled by supplying at a flow rate of 0.0 l / min. In the firing, the temperature is first raised to 470 ° C. at a temperature rise temperature of 200 ° C./h, maintained at 470 ° C. for 24 hours, preheated, and then heated to 800 ° C. at 100 ° C./h to a temperature of 800 ° C. For 36 hours. Then, it stood to cool naturally, and after the temperature of the baked product became 80 ° C. or lower, the baked product was taken out from the tubular electric furnace and sufficiently pulverized and mixed in a mortar.
[0054]
The fired product was sufficiently pulverized and mixed as described above, and then compression-molded again into a pellet, and the pellet was fired in the same manner as described above. That is, the temperature was increased to 800 ° C. at a temperature increase rate of 200 ° C./h, and the firing was carried out at a temperature of 800 ° C. for 36 hours. Thereafter, the temperature was lowered to room temperature by natural cooling, and after the temperature was lowered, the pellet was sufficiently pulverized in an agate mortar, and the pulverized powder was classified to obtain a spherical or elliptical powder of 45 μm or less. An electron micrograph of the lithium manganese oxide particle structure at a magnification of 1510 is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the obtained lithium manganese oxide was spherical or elliptical.
[0055]
Further, when the obtained lithium manganese oxide was analyzed by X-ray diffraction, it was found that the spinel structure LiMn.2OFourAs a result of observing a diffraction line peculiar to the above and no peak due to impurities was observed, it was confirmed that the obtained lithium manganese oxide was a lithium manganese oxide having a spinel structure. Furthermore, the composition of Li, Mn, and O of the obtained lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption analyzer. The sample was prepared as follows. 10 ml of ion-exchanged water and 10 ml of 12N hydrochloric acid were added to 0.25 g of the produced lithium manganese oxide, and heated until the lithium manganese oxide was completely dissolved. Then, it stood to cool to room temperature, ion-exchange water was added, the whole quantity was made into 100 ml, and the sample for analysis was prepared. Each element was analyzed by the standard addition method. From the analysis results, the composition of the manufactured lithium manganese oxide is Li1.01Mn1.99O3.88It turned out to be. Further, when the Fe content in the lithium manganese oxide was measured by an atomic absorption analyzer in the same manner as the above-described compositional analysis of Li, Mn, and O, the Fe content was 40 ppm.
[0056]
Further, the average particle size of the obtained spinel type lithium manganese oxide was obtained by taking an electron micrograph (magnification: 500 times) of the product, measuring the particle size of individual particles in the photo, and measuring 50 particles. It calculated | required by calculating the average value of a particle diameter. As a result, the average particle size was 25 μm. Furthermore, the specific surface area of the obtained spinel-type lithium manganese oxide was subjected to a degassing treatment at 120 ° C. for 20 hours using an autosorb 1 manufactured by Yuasa Ionics, with a sample pore measurement range of 1 to 100 mm, and measurement of the sample. After confirming that the environmental vacuum was 10 mTorr or less, nitrogen gas was measured as the probe gas, and the specific surface area was 1.0 m.2/ G.
[0057]
A model cell was produced using the spinel type lithium manganese oxide produced by the above method. First, 1.6 g of the above spinel type lithium manganese oxide, 0.3 g of acetylene black, and 0.1 g of polytetrafluoroethylene were weighed and mixed thoroughly in a mortar. The mixture was sufficiently ground on a mortar until it became a gum, and the gum mixture was pressed against a 500 μm mesh sieve to form a powder. 40 mg of this powder was taken and compression-molded with a press machine together with a platinum net having a diameter of 10 mm to produce a pellet-shaped electrode.
[0058]
Using the pellet-shaped electrode produced as described above as a working electrode, using a lithium foil as a counter electrode and a reference electrode, LiPF6A model cell was prepared by evaluating a positive electrode active material using a non-aqueous solution in which 1.0 mol / l was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 1: 3 at a concentration of 1.0 mol / l. It was.
[0059]
Furthermore, a battery for evaluating cycle characteristics was produced as described below. 250 g of N-methyl-2-pyrrolidone was added to 20 g of polyvinylidene fluoride as a binder and heated to 60 ° C. to dissolve the polyvinylidene fluoride in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a binder solution. 450 g of the above lithium manganese oxide as a positive electrode active material was added to this binder solution, and 5 g of carbon black and 25 g of graphite were added as an electron conduction aid, and stirred to prepare a slurry-like paint.
[0060]
This paint was uniformly applied on both sides of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, compression-molded by a roller press machine, and then cut to produce a strip-shaped positive electrode having an average thickness of 190 μm and 483 mm × 54 mm.
[0061]
Also, a binder solution similar to the above was prepared, and 180 g of graphite was added as a negative electrode active material to the binder solution and stirred to prepare a slurry paint. This paint was uniformly applied to both sides of a 18 μm thick copper foil, dried, compression-molded by a roller press, and then cut to produce a strip-like negative electrode having an average thickness of 140 μm and a size of 522 mm × 56 mm.
[0062]
Next, a separator made of a microporous polyethylene film having a thickness of 25 μm is disposed between the belt-like positive electrode and the belt-like negative electrode, wound into a spiral shape to form a spiral electrode body, and then has a bottom with an outer diameter of 18 mm. It inserted in the cylindrical battery case, and the positive electrode lead body and the negative electrode lead body were welded.
[0063]
Then, 1.0 mol / l LiPF in the battery case6/ EC + EMC (1 + 3) electrolyte solution [ie, LiPF in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 364.0 mol / l of non-aqueous electrolyte solution] was injected.
[0064]
Next, the opening of the battery case was sealed according to a conventional method, and a cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery having the structure shown in FIG. 3 was produced.
[0065]
The battery shown in FIG. 3 will be schematically described. 1 is the positive electrode and 2 is the negative electrode. However, in FIG. 3, in order to avoid complication, the metal foil or the like used as the base used for manufacturing the positive electrode 1 and the negative electrode 2 is not shown, and the positive electrode 1 and the negative electrode 2 are spirally connected via the separator 3. A spiral electrode body is housed in a battery case 4 made of stainless steel together with the electrolytic solution having the above composition.
[0066]
The battery case 4 also serves as a negative electrode terminal, an insulator 5 is disposed at the bottom thereof, and an insulator 6 is also disposed on the spiral electrode body. A sealing body 8 is disposed in the opening of the battery case 4 via an annular insulating packing 7, and the inside of the battery is sealed by tightening the opening end of the battery case 4 inward. However, the sealing body 8 incorporates an irreversible vent mechanism for discharging the gas generated in the battery to the outside of the battery when the pressure is raised to a certain pressure, and preventing the battery from bursting under high pressure. It is.
[0067]
Example 2
The same chemically synthesized manganese dioxide as in Example 1 was used, and the ratio of the amount of Mn in this chemically synthesized manganese dioxide to the amount of Li in lithium hydroxide monohydrate was 0.50 in molar ratio. A lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the raw materials were mixed together to produce a model cell and a battery. When the manufactured lithium manganese oxide was observed with an electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape was spherical or elliptical. Further, when the lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.03Mn1.97O3.94Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption spectrometer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 48 ppm. Further, when the average particle diameter and the specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle diameter was 19 μm and the specific surface area was 1.1 m.2/ G.
[0068]
Example 3
A lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was changed from 800 ° C. to 780 ° C., and a model cell and a battery were produced. When the manufactured lithium manganese oxide was observed with an electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape was spherical or elliptical. Further, when the lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.02Mn1.98O3.98Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the Fe content was 43 ppm. Further, when the average particle diameter and the specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle diameter was 23 μm and the specific surface area was 1.0 m.2/ G.
[0069]
Example 4
A lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was changed from 800 ° C. to 820 ° C., and a model cell and a battery were produced. When the manufactured lithium manganese oxide was observed with an electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape was spherical or elliptical. Further, when the lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.01Mn1.99O3.94Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption spectrometer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 35 ppm. Further, when the average particle size and specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle size was 16 μm and the specific surface area was 1.2 m.2/ G.
[0070]
Example 5
Lithium manganese oxide as in Example 1 except that chemically synthesized manganese dioxide having a Fe content of 98 ppm in the raw material chemically synthesized manganese dioxide was used and the product lithium manganese oxide was classified to particles of 63 μm or less. Things were manufactured and model cells and batteries were made. When the shape of the manufactured lithium manganese oxide was observed with an electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape was spherical or elliptical. Further, when the lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li as in Example 1.1.01Mn1.99O3.92Met. Further, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption spectrometer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 195 ppm. Further, when the average particle diameter and the specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle diameter was 32 μm and the specific surface area was 0.6 m.2/ G.
[0071]
Example 6
Lithium manganese oxide as in Example 1 except that the product lithium manganese oxide was classified into particles of 32 μm or less and the mixed gas was supplied at a flow rate of 1.5 liter / min per 100 g of the raw material mixture. And manufactured a model cell and a battery. When the manufactured lithium manganese oxide was observed with an electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape was spherical or elliptical. Further, when the lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.02Mn1.98O3.90Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption spectrometer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 49 ppm. Further, when the average particle size and specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle size was 8 μm and the specific surface area was 2.3 m.2/ G.
[0072]
Comparative Example 1
Commercially available LiMn2OFour(Average particle size 31 μm, specific surface area 0.8 m2Model cell and battery were produced in the same manner as in Example 1 except that / g) was used as the positive electrode active material. Commercially available LiMn2OFourWhen observed with an electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape was angular as shown in FIG. 2 (electron micrograph at a magnification of 1500 times). Moreover, when Fe content in this spinel type lithium manganese oxide was measured with the atomic absorption analyzer similarly to Example 1, Fe content was 600 ppm.
[0073]
Comparative Example 2
Chemically synthesized manganese dioxide having a Fe content of 512 ppm in the raw chemically synthesized manganese dioxide is used, and the ratio of the amount of Mn in this chemically synthesized manganese dioxide to the amount of Li in lithium hydroxide monohydrate is The lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the raw materials were mixed so that the molar ratio was 0.525, and the product was not classified, and a model cell and a battery were produced. . When the manufactured lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.09Mn1.91O3.98Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption spectrometer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 957 ppm. Further, when the average particle diameter and the specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle diameter was 54 μm and the specific surface area was 0.1 m.2/ G.
[0074]
Comparative Example 3
Chemically synthesized manganese dioxide having a Fe content of 329 ppm in the raw material chemically synthesized manganese dioxide is used, and the ratio of the amount of Mn in this chemically synthesized manganese dioxide to the amount of Li in lithium hydroxide monohydrate is The lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the raw materials were mixed so that the molar ratio was 0.525, the firing temperature was changed to 850 ° C., and the product was not classified. Then, a model cell and a battery were produced. When the manufactured lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.08Mn1.92O3.96Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption spectrometer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 643 ppm. Further, when the average particle size and specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle size was 62 μm and the specific surface area was 0.1 m.2/ G.
[0075]
Comparative Example 4
Chemically synthesized manganese dioxide having a Fe content of 481 ppm in the raw chemically synthesized manganese dioxide is used, and the ratio of the amount of Mn in this chemically synthesized manganese dioxide to the amount of Li in lithium hydroxide monohydrate is The lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the raw materials were mixed so that the molar ratio was 0.525, the firing temperature was changed to 750 ° C., and the product was not classified. Then, a model cell and a battery were produced. When the manufactured lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.08Mn1.92O3.93Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption spectrometer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 918 ppm. Further, when the average particle diameter and the specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle diameter was 60 μm and the specific surface area was 0.1 m.2/ G.
[0076]
Comparative Example 5
Lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the flow rate of the mixed gas of argon gas and oxygen gas was changed to 0.1 liter / min per 100 g of the raw material mixture. When the manufactured lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, the obtained lithium manganese oxide was LiMn.2OFourAnd Li2MnOThreeIn addition, Mn as a reaction intermediate product2OThreeThus, lithium manganese oxide having only a spinel structure was not obtained.
[0077]
Comparative Example 6
Lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the flow rate of the mixed gas of argon gas and oxygen gas was changed to 0.6 liter / min per 100 g of the raw material mixture. When the manufactured lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, the obtained lithium manganese oxide was LiMn.2OFourAnd Li2MnOThreeIn addition, Mn as a reaction intermediate product2OThreeThus, lithium manganese oxide having only a spinel structure was not obtained.
[0078]
Comparative Example 7
Electro-synthesized manganese dioxide (45 μm previously classified as a raw material of Mn (
Fe content of the electrolytically synthesized manganese dioxide is 205 ppm), and the ratio of the Mn amount of the electrolytically synthesized manganese dioxide to the Li amount in the lithium hydroxide hydrate is 0.525 in molar ratio. The lithium manganese oxide was produced in the same manner as in Example 1 except that the raw materials were mixed so that the firing temperature was 750 ° C. and the product was not classified, and a model cell and a battery were produced. . When the manufactured lithium manganese oxide was confirmed by X-ray diffraction analysis, it was confirmed to be a lithium manganese oxide having a spinel structure. Moreover, when observed with the electron microscope similarly to Example 1, the shape had the same angular shape as the comparative example 1. Moreover, when the composition of Li, Mn, and O was measured with an atomic absorption analyzer as in Example 1, the composition of the manufactured lithium manganese oxide was Li1.10Mn1.90O3.92Met. Furthermore, when the Fe content in the spinel-type lithium manganese oxide was measured with an atomic absorption analyzer in the same manner as in Example 1, the Fe content was 413 ppm. Further, when the average particle size and specific surface area were measured in the same manner as in Example 1, the average particle size was 37 μm and the specific surface area was 0.5 m.2/ G.
[0079]
The discharge capacity and load characteristics were examined for each model cell produced as described above, and the cycle characteristics and low temperature discharge characteristics were examined for the batteries. The results are shown in Table 1. The discharge capacity of each model cell was 4.3 Vvs. Li / Li+After charging to 0.5 mA / cm in an environment of 20 ° C.2Current density of 3.0 Vvs. Li / Li+The discharge capacity at the time of discharging was measured, and it was shown in terms of the discharge capacity per weight of the positive electrode active material. The load characteristic is 4.0 mA / cm2Current density of 3.0 Vvs. Li / Li+Discharge capacity when discharged to 0.5 mA / cm2Current density of 3.0 Vvs. Li / Li+Ratio of discharge capacity when discharged to [4.0 mA / cm2Discharge capacity at a current density of) / (0.5 mA / cm2Discharge capacity at current density) × 100].
[0080]
Moreover, after charging to 4.2V with a constant current of 1A in an environment of 20 ° C., the cycle characteristics were charged by a constant voltage method, and charged so that the total charging time was 2.5 hours. In a cycle test when discharging to 3.0 V at a constant current of 1 A under an environment of 20 ° C., the ratio of the discharge capacity at the 500th cycle to the discharge capacity at the first cycle [(discharge capacity at the 500th cycle) / ( The discharge capacity at the first cycle) × 100] was obtained and used as the capacity retention, and the capacity retention at the 500th cycle was evaluated.
[0081]
Furthermore, the discharge characteristics at low temperatures are 3 for a discharge capacity when discharged to 3.0 V at a constant current of 0.2 A in an environment of −20 ° C. and a constant current of 0.2 A in an environment of 20 ° C. Evaluation was carried out at a ratio [(discharge capacity at −20 ° C.) / (Discharge capacity at 20 ° C.) × 100] with the discharge capacity when discharged to 0.0 V. When measuring the discharge characteristics at low temperatures, the charging conditions are as follows. At any temperature, the battery is charged at a constant current of 1 A to 4.2 V in an environment of 20 ° C., then charged by a constant voltage method. The battery was charged so that the total was 2.5 hours. Thereafter, the battery was left at a predetermined discharge temperature for 4 hours, and then a discharge test was started.
[0082]
[Table 1]
Figure 0003982658
[0083]
As shown in Table 1, Examples 1 to 6 had a large discharge capacity, a high capacity, a large capacity retention at the 500th cycle, and excellent cycle characteristics as compared with Comparative Examples 1 to 7. . As can be seen from the fact that the discharge capacities of Examples 1 to 6 are large as described above, the spinel type lithium manganese oxide used in Examples 1 to 6 is spherical or elliptical particles. It is thought that the filling property in the production was also good. In Examples 1 to 6, the discharge capacity was large and the load characteristics were excellent. This is considered to be because in Examples 1 to 6, spinel type lithium manganese oxide having an Fe content of 200 ppm or less was used as the positive electrode active material. Furthermore, Examples 1-6 were excellent also in the discharge characteristic at the time of low temperature. In Examples 1 to 6, the average particle diameter is in the range of 1 to 45 μm and the specific surface area is 0.5 to 3 m.2This is considered to be due to the use of a spinel type lithium manganese oxide in the range of / g as the positive electrode active material.
[0084]
In contrast, the composition is the general formula LixMnyO4-z(When x + y = 3.00, 1.00 ≦ x ≦ 1.05, 0 <z ≦ 0.15, where x is a value when assembling the battery, and 0 <x ≦ 1.05 during charging and discharging. Comparative Examples 1 to 7 using lithium manganese oxides deviating from the above range as the positive electrode active material had a smaller discharge capacity and poor cycle characteristics than Examples 1 to 6. . In addition, as in Comparative Examples 2 to 7, when the manufacturing conditions deviated from the present invention, lithium manganese oxide having a large discharge capacity and excellent cycle characteristics as in the present invention could not be produced. . In Comparative Examples 2 to 4 in which a spinel type lithium manganese oxide having a Fe content of more than 200 ppm was used as the positive electrode active material, the load characteristics were poor. In particular, Comparative Example 5 and Comparative Example 6 were lithium manganese oxides having only a spinel structure. Could not get. Further, in Comparative Examples 1 to 7, the average particle diameter is outside the range of 1 to 45 μm, and the specific surface area is also 0.5 to 3 m.2Since it was out of the range of / g, the discharge characteristics at low temperature were poor.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the general formula LixMnyO4-z(When x + y = 3.00, 1.00 ≦ x ≦ 1.05, 0 <z ≦ 0.15, where x is a value when assembling the battery, and 0 <x ≦ 1.05 during charging and discharging. The cathode active material is composed of a spherical or elliptical spinel type lithium manganese oxide represented by the following formula: It was possible to provide a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery that can impart high capacity and excellent cycle characteristics to the electrolyte secondary battery. In the present invention, the spinel lithium manganese oxide has a Fe content of 200 ppm or less, and the spinel lithium manganese oxide having the Fe content of 200 ppm or less is used as the positive electrode active material, thereby reducing the discharge capacity. A large non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent load characteristics could be provided. Furthermore, in this invention, the average particle diameter of the said spinel type lithium manganese oxide is made into the range of 1-45 micrometers, and a specific surface area is 0.5-3 m.2By using it as a positive electrode active material within the range of / g, a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent discharge characteristics at low temperatures could be provided.
[0086]
In addition, since the spinel type lithium manganese oxide of the present invention is a spherical or elliptical particle, it has a good filling property in the production of the positive electrode, and is composed of abundant and inexpensive manganese as a constituent element. It is suitable for production and has great industrial significance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electron micrograph of 1510 times magnification showing the particle structure of the spinel type lithium manganese oxide of the present invention.
FIG. 2 Commercially available LiMn2OFourIt is an electron micrograph of the magnification 1500 times which shows the particle structure.
FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing an example of a non-aqueous electrolyte secondary battery.
[Explanation of symbols]
1 Positive electrode
2 Negative electrode
3 Separator
4 Battery case
5 Insulator
6 Insulator
7 Insulation packing
8 Sealing body

Claims (4)

Fe含有量が98ppm以下の化学合成二酸化マンガンをマンガン源として製造され、一般式LiMn4−z(x+y=3.00とした時、1.00≦x≦1.05、0<z≦0.15、ただし、xは電池組立時の値であり、充放電に際し0<x≦1.05の範囲で変化する値である)で表され球状ないし楕円状で、Fe含有量が200ppm以下のスピネル型リチウムマンガン酸化物からなる非水電解液二次電池用正極活物質。 Manufactured using chemically synthesized manganese dioxide having an Fe content of 98 ppm or less as a manganese source. When general formula Li x Mn y O 4-z (x + y = 3.00, 1.00 ≦ x ≦ 1.05, 0 < z ≦ 0.15, provided that, x is a value at the time of battery assembly, expressed in charging and discharging upon a value that varies from 0 <x ≦ 1.05), spherical or ellipsoidal shape, Fe content A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a spinel type lithium manganese oxide having a content of 200 ppm or less . スピネル型リチウムマンガン酸化物の平均粒子径が1〜45μmで、比表面積が0.5〜3m/gであることを特徴とする請求項1記載の非水電解液二次電池用正極活物質。 2. The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the spinel-type lithium manganese oxide has an average particle size of 1 to 45 μm and a specific surface area of 0.5 to 3 m 2 / g. . Fe含有量が98ppm以下の化学合成二酸化マンガンとリチウム塩との混合比をLiとMnのモル比でLi/Mn≦0.50とし、不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを原料混合物100gあたり1リットル/分以上の流量で供給しつつ、780〜820℃で焼成することによって、一般式LiMn4−z(x+y=3.00とした時、1.00≦x≦1.05、0<z≦0.15、ただし、xは電池組立時の値であり、充放電に際し0<x≦1.05の範囲で変化する値である)で表される球状ないし楕円状のスピネル型リチウムマンガン酸化物からなる非水電解液二次電池用正極活物質を製造することを特徴とする非水電解液二次電池用正極活物質の製造方法。The mixing ratio of chemically synthesized manganese dioxide having an Fe content of 98 ppm or less and lithium salt is Li / Mn ≦ 0.50 in terms of the molar ratio of Li and Mn, and a mixed gas of inert gas and oxygen gas is used per 100 g of the raw material mixture. By firing at 780 to 820 ° C. while supplying at a flow rate of 1 liter / min or more, when the general formula Li x Mn y O 4-z (x + y = 3.00, 1.00 ≦ x ≦ 1. 05, 0 <z ≦ 0.15, where x is a value at the time of battery assembly, and is a value that changes in the range of 0 <x ≦ 1.05 during charging and discharging). A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a spinel type lithium manganese oxide. 請求項1または2に記載の非水電解液二次電池用正極活物質を用いたことを特徴とする非水電解液二次電池。Non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by using a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2.
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