JP4092950B2 - リチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法 - Google Patents
リチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法、及びこの製造方法で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いた二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池の正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物が有望視されている。なかでも、遷移金属がコバルト、ニッケル又はマンガンである化合物、すなわちリチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、又はリチウムマンガン酸化物を正極活物質とすると、高性能の電池を得られることが知られている。さらに、リチウム遷移金属複合酸化物の安定化や電池の高容量化、安全性向上、高温での電池特性の改良のために、遷移金属の一部を他の金属元素（以下、このような遷移金属の置換のための金属元素を「置換金属元素」という場合がある）で置換したリチウム遷移金属複合酸化物を用いることも知られている。例えばリチウム遷移金属複合酸化物の１種であるスピネル型リチウムマンガン酸化物ＬｉＭｎ2 Ｏ4 の場合、Ｍｎ価数は形式上３．５価であり、３価と４価が半々ずつ混在している状態であるが、このＭｎ価数より小さい価数の他の遷移金属でＭｎの一部を置換することにより、ヤーンテラー歪みのあるＭｎ３価を減少させて結晶構造を安定化させ、最終的に電池特性を向上させることができる。
【０００３】
また、コバルトは希少で高価なので、リチウムコバルト酸化物の製造費用を低下させるために、置換金属元素を導入することが考えられる。例えば、ＬｉＣｏ1-x Ｎｉx Ｏ2 （０＜ｘ＜１）といったリチウムコバルト複合酸化物が考えられ、高価なＣｏの比率を下げるためにｘを大きくし、なおかつ正極活物質としての性能を上げる研究がなされている。
【０００４】
これと同様に、ＮｉとＭｎを比べた場合、Ｎｉの方が高価なことから、ＬｉＮｉ1-x Ｍｎx Ｏ2 （０＜ｘ＜１）といったリチウムニッケル複合酸化物も考えられる。このようなニッケルとマンガンとを含有するリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、電池性能の面でも注目すべき点があり、極めて有望な材料である。しかしながら、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ ３１１−３１８（１９９２）や、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．１１４９−１１５５（１９９６）や、Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ６２９−６３３（１９９７）や、Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ４６−５３（１９９８）では、合成可能な範囲は０≦ｘ≦０．５とされており、それよりｘが大きくなると単一相が得られないとされている。
【０００５】
一方、第４１回電池討論会２Ｄ２０（２０００）では、ｘ＝０．５に相当するＮｉ：Ｍｎ＝１：１の層状構造をもつ結晶性の高い単一相を共沈法により合成したとの報告がある。それによれば、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、単一相の結晶中にニッケルとマンガンが均一に存在している。そしてニッケルとマンガンを均一に存在させるために、原料のニッケル化合物とマンガン化合物を原子レベルで均一に分散させる必要があり、そのためには共沈法が好ましいとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共沈法は原料が限定されるうえ、工業的規模で実施するには必ずしも適しているとは云い難い。かつ共沈物を原料とすると、生成する複合酸化物は不定形の粒子となるので、正極とする際の粉体充填密度が小さくなるという問題がある。また、ニッケルとマンガンとを原子レベルで均一に反応させるには共に２価のイオンであることが好ましいが、２価のマンガンは水溶液中で容易に酸化されて３価となり易い。酸化を防ぐには溶存酸素を除去するなどの処理が必要であり、操作が煩雑である。従って本発明は、共沈法によらずに、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造する方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ニッケル源、マンガン源及びリチウム源を含む混合物を焼成してリチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造する方法において、少なくともニッケル源及びマンガン源として、この両者を含有するスラリーであって固形物の平均粒子径が０．５μｍ以下のものを噴霧乾燥して得たものを用いることにより、良好な単一相生成物を容易に製造することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、ニッケル源及びマンガン源として、この両者を含むスラリーを噴霧乾燥したものを用いる。リチウム源はこのスラリー中に含有させておいてもよく、また噴霧乾燥により得られたニッケル源及びマンガン源の混合物に、後から添加してもよい。
【０００９】
リチウム源としては、各種のリチウム化合物、例えば、Ｌｉ2 ＣＯ3 、ＬｉＮＯ3 、ＬｉＯＨ、ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、アルキルリチウム、酢酸リチウムなどの有機リチウム化合物、ＬｉＣｌ、ＬｉＩなどのリチウムハロゲン化物等を用いることができる。なかでもＬｉ2 ＣＯ3 、ＬｉＮＯ3 、ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、酢酸リチウムなどを用いるのが好ましい。リチウム源として最も好ましいのは通常はＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏである。このものは焼成に際してニッケル源及びマンガン源と容易に反応してリチウムニッケルマンガン複合酸化物を与える。
【００１０】
ニッケル源としても各種のニッケル化合物を用いることができる。そのいくつかを例示すると、Ｎｉ（ＯＨ）2 、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨ、ＮｉＣＯ3 ・２Ｎｉ（ＯＨ）2 ・４Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＮＯ3 ）2 ・６Ｈ2 Ｏ、ＮｉＳＯ4 、ＮｉＳＯ4 ・６Ｈ2 Ｏ、脂肪酸ニッケル、シュウ酸ニッケルなどの有機ニッケル化合物、及びニッケルハロゲン化物などを挙げることができる。好ましくはＮｉ（ＯＨ）2 、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨ、ＮｉＣＯ3 ・２Ｎｉ（ＯＨ）2 ・４Ｈ2 Ｏ、ＮｉＣ2 Ｏ4 ・２Ｈ2 Ｏのような焼成に際してＮＯｘ及びＳＯｘ等の有害物質を発生させないものを用いる。なかでも工業原料として安価に入手でき、かつ湿式粉砕が容易である点でＮｉ（ＯＨ）2 、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨなどを用いるのが好ましい。
【００１１】
マンガン源としては、Ｍｎ3 Ｏ4 、Ｍｎ2 Ｏ3 、ＭｎＯ2 、ＭｎＯＯＨ、ＭｎＣＯ3 、Ｍｎ（ＮＯ3 ）2 、ＭｎＳＯ4 、有機マンガン化合物、マンガン水酸化物、及びマンガンハロゲン化物などを用いることができる。これらのマンガン源の中でも、Ｍｎ2 Ｏ3 、ＭｎＯ2 、Ｍｎ3 Ｏ4 は、最終目的物である複合酸化物のマンガン酸化数に近い価数を有しているため好ましい。さらに工業原料として安価に入手でき、かつ湿式粉砕が容易である点から、特に好ましいのはＭｎ2 Ｏ3 である。
【００１２】
本発明では、スラリー中に更に他の金属源を含有させることができ、これにより最終的に得られるリチウムニッケルマンガン複合酸化物中にこれらの金属を含有させることができる。このような金属元素としては、アルミニウム、コバルト、鉄、マグネシウム、カルシウム等を挙げることができる。この中でも、アルミニウム、コバルト、マグネシウムが好ましく、アルミニウム、コバルトが更に好ましい。アルミニウム、コバルト及びマグネシウムは、リチウムニッケルマンガン複合酸化物に容易に固溶して単一相を得ることができるという利点があり、更にアルミニウム及びコバルトは、これを含む複合酸化物をリチウム二次電池の正極活物質として用いたときに、高性能な電池特性、特に繰り返し充放電を行った際の放電容量維持率について良好な性能を示すという利点がある。複合酸化物中には、これらの金属元素を複数種含有させても良い。
【００１３】
これらの金属元素源としては、オキシ水酸化物、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物の他、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等の無機酸塩や、酢酸塩、シュウ酸塩等の有機酸塩を挙げることができる。
アルミニウム源としては、ＡｌＯＯＨ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ａｌ（ＯＨ）3 、ＡｌＣｌ3 、Ａｌ（ＮＯ3 ）3 ・９Ｈ2 Ｏ、有機アルミニウム化合物及びＡｌ2 （ＳＯ4 ）3 等の各種のアルミニウム化合物を挙げることができる。好ましくはＡｌＯＯＨ、Ａｌ2 Ｏ3 又はＡｌ（ＯＨ）3 を用いる。工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高い点でＡｌＯＯＨを用いるのが最も好ましい。
【００１４】
コバルト源としては、Ｃｏ（ＯＨ）2 、ＣｏＯ、Ｃｏ2 Ｏ3 、Ｃｏ3 Ｏ4 、酢酸コバルト等の有機コバルト化合物、ＣｏＣｌ2 、Ｃｏ（ＮＯ3 ）2 ・６Ｈ2 Ｏ、及びＣｏ（ＳＯ4 ） ・７Ｈ2 Ｏ等の各種のコバルト化合物を挙げることができる。好ましくはＣｏ（ＯＨ）2 、ＣｏＯ、Ｃｏ2 Ｏ3 、又はＣｏ3 Ｏ4 を用いる。工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高い点でＣｏ（ＯＨ）2 を用いるのが最も好ましい。
【００１５】
鉄源としては、ＦｅＯ（ＯＨ）、Ｆｅ2 Ｏ3 、Ｆｅ3 Ｏ4 、ＦｅＣｌ2 、ＦｅＣｌ3 、Ｆｅ（ＮＯ3 ）3 ・９Ｈ2 Ｏ、シュウ酸鉄その他の有機鉄化合物、ＦｅＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ及びＦｅ2 （ＳＯ4 )3 ・ｎＨ2 Ｏ等の各種の鉄化合物を挙げることができる。なかでもＦｅＯ（ＯＨ）、Ｆｅ2 Ｏ3 又はＦｅ3 Ｏ4 を用いるのが好ましく、最も好ましいのは、工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高い点でＦｅＯ（ＯＨ）及びＦｅ2 Ｏ3 である。
【００１６】
マグネシウム源としては、Ｍｇ（ＯＨ）2 、ＭｇＯ、シュウ酸マグネシウム、酢酸マグネシウム等の有機マグネシウム化合物、ＭｇＣｌ2 、Ｍｇ（ＮＯ3 ）2 ・６Ｈ2 Ｏ、及びＭｇＳＯ4 等の各種のマグネシウム化合物を挙げることができる。なかでもＭｇ（ＯＨ）2 又はＭｇＯ、特にＭｇ（ＯＨ）2 を用いるのが好ましい。
【００１７】
カルシウム源としては、Ｃａ（ＯＨ）2 、ＣａＯ、酢酸カルシウムやシュウ酸カルシウム等の有機カルシウム化合物、ＣａＣＯ3 、ＣａＣ2 、ＣａＣｌ2 、ＣａＷＯ4 、Ｃａ（ＮＯ3 ）2 ・４Ｈ2 Ｏ、及びＣａＳＯ4 ・２Ｈ2 Ｏ等の各種のカルシウム化合物を挙げることができる。なかでもＣａ（ＯＨ）2 、ＣａＯ又はＣａＣＯ3 を用いるのが好ましい。最も好ましいのは、工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高いＣａ（ＯＨ）2 である。
【００１８】
スラリー調製に際してのリチウム、ニッケル、マンガン、及び必要に応じて用いられるアルミニウムやコバルト等の置換金属元素の原子比は、目的とするリチウムニッケルマンガン複合酸化物の組成に応じて適宜調節する。例えばニッケルとマンガンは、原子比（Ｎｉ／Ｍｎ）が０．７≦Ｎｉ／Ｍｎ≦９の範囲で、複合酸化物に所望の組成に応じてその原子比を調節する。またニッケル及びマンガンの合計原子数に対するアルミニウム等の置換金属元素の合計原子数の比（置換金属元素／Ｎｉ＋Ｍｎ）は、０〜１．０の範囲で複合酸化物に所望の組成に応じてその原子比を調節する。なお、リチウムは必ずしもスラリー中に含有させておく必要はなく、ニッケル及びマンガン、更にはアルミニウム等の置換金属元素を含むスラリーを噴霧乾燥して得たものにリチウム源を粉末で混合して焼成しても、所望の組成の複合酸化物を得ることができる。すなわちニッケルやマンガン、更にはアルミニウム等の置換金属元素と異なり、リチウムは焼成という固相反応に際して移動しやすいので、予め他の元素と均一に混合しておかなくてもよい。なお、リチウムは焼成に際して揮散しやすいので、複合酸化物に所望の組成よりも多量に用いるのが好ましい。また、ニッケル源及びマンガン源を含むスラリーを噴霧乾燥して得たものにリチウム源を混合する際には、リチウム源は最大粒径が１００μｍ以下、特に５０μｍ以下の微粉末として混合するのが好ましい。但し微粉末とする費用と微粉末を用いることによる効果との関係を考慮すると、通常は微粉末の平均粒径をスラリー中の固形分の平均粒径と同様の方法で測定して０．１μｍ以下とする必要はなく、多くの場合には平均粒径で０．５μｍまでで十分である。
【００１９】
スラリーに用いられる分散媒としては、各種の有機溶媒、水性溶媒を使用することができるが、好ましいのは水である。
スラリー全体の重量に対する、リチウム源、ニッケル源、及びマンガン源等の原料の総重量比は、通常１０重量％以上、好ましくは１２．５重量％以上である。スラリー濃度が希薄であると、噴霧乾燥により得られる粒子が小粒化したり、粒子内部に空隙が生じて破損しやすくなったりする。逆に濃度が高すぎるとスラリーの均一性を保つのが困難となるので、スラリー濃度は５０重量％以下、特に３５重量％以下とするのが好ましい。
【００２０】
スラリー中の固形物の平均粒子径は０．５μｍ以下である。スラリー中の固形物の平均粒子径が大きすぎると、焼成工程における反応性が低下するだけでなく、噴霧乾燥により得られる造粒物の球状度が低下し、最終的に得られる複合酸化物の粉体充填密度が低くなる傾向にある。この傾向は、平均粒子径で５０μｍ以下の造粒物を製造しようとした場合に特に顕著になる。しかしスラリー中の固形物を必要以上に小粒子化することは、コストアップをまねくので、固形物の平均粒子径を０．０１μｍ以下とする必要はない。粉砕費用と粉砕により得られる利点とを考慮すると、粉砕は平均粒子径が０．０５μｍ、特に０．１μｍを下廻らないようにするのが好ましい。
【００２１】
本発明においては、リチウム源、ニッケル源、及びマンガン源等を分散媒中で混合してスラリーを調製するに際し、媒体攪拌型粉砕機等を使用して強く攪拌して湿式粉砕を行うのが好ましい。これによりスラリー中での金属元素の均一性を向上させ、かつ焼成工程での反応性を向上させることができる。湿式粉砕に用いる湿式粉砕機としては、ホモジナイザー、ホモミキサー等の主に分散解砕を目的とするものや、ビーズミル、ボールミル、振動ミル等の主に粉砕を目的とするもの等が挙げられるが、後者の粉砕機はスラリー固形分の粉砕効率が非常に高いことから、これを用いてスラリー中の固形分を所望の小粒径にまで粉砕するのが好ましい。特に好ましいのは、ビーズミルによる湿式粉砕である。
【００２２】
なお、本発明においては、スラリー中の固形分の平均粒子径、噴霧乾燥により得られた造粒物の平均粒子径、及びリチウムニッケルマンガン複合酸化物の平均粒子径は、いずれも公知のレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置によって測定する。この方法の測定原理は下記の通りである。即ち、スラリー又は粉体を分散媒に分散させたものにレーザー光を照射し、粒子に入射されて散乱（回折）した散乱光をディテクタで検出する。検出された散乱光の散乱角θ（入射方向と散乱方向の角度）は、大きい粒子の場合は前方散乱（０＜θ＜９０°）となり、小さい粒子の場合は側方散乱又は後方散乱（９０°＜θ＜１８０°）となる。測定された角度分布値から、入射光波長及び粒子の屈折率等の情報を用いて粒子径分布を算出する。更に得られた粒子径分布から平均粒子径を算出する。測定の際に用いる分散媒としては、例えば０．１重量％ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用いる。
【００２３】
また、スラリーの粘度は、通常５０ｍＰａ・ｓ以上である。１００ｍＰａ・ｓ以上、特に２００ｍＰａ・ｓ以上であるのが好ましい。粘度が上記範囲以下の場合は、噴霧乾燥に大きな負担がかかったり、噴霧乾燥により得られる造粒物が小粒化したり破損しやすくなったりする。逆に粘度が大きすぎると、ポンプによるスラリーの輸送が困難になるので、粘度は通常は３０００ｍＰａ・ｓ以下とすべきである。２０００ｍＰａ・ｓ以下、特に１６００ｍＰａ・ｓ以下とするのが好ましい。スラリーの粘度測定は、公知のＢＭ型粘度計を用いて行う。ＢＭ型粘度計は、室温大気中において所定の金属製ローターを回転させる方式を採用する測定方法である。スラリーの粘度は、ローターをスラリー中に浸した状態でローターを回転させ、その回転軸にかかる抵抗力（捻れの力）から算出される。但し、室温大気中とは気温１０℃〜３５℃、相対湿度２０％ＲＨ〜８０％ＲＨの通常の実験室の環境を意味する。
【００２４】
噴霧乾燥は常法により行えばよい。例えば、ノズルの先端に気体流とスラリーとを流入させることによってノズルからスラリーを液滴として吐出させ、乾燥ガスと接触させて液滴を迅速に乾燥させる方法を用いることができる。乾燥ガスとしては、空気、窒素等を用いることができるが、通常は空気が用いられる。これらは加圧して使用することが好ましい。ノズルからの気体流は、ガス線速として、通常１００ｍ／ｓ以上、好ましくは２００ｍ／ｓ以上、さらに好ましくは３００ｍ／ｓ以上で噴射される。ガス線速が小さすぎると適切な液滴を形成し難くなる。但し、あまりに大きな線速は得にくいので、通常噴射速度は１０００ｍ／ｓ以下である。ノズルの形状は、微小液滴を吐出することができるものであればよく、従来から公知のもの、例えば、特許第２７９７０８０号公報に記載されているようなノズルを使用することもできる。なお、液滴は環状に噴霧されることが、生産性向上の点で好ましい。
【００２５】
乾燥ガスは搭上部から下部に向かうダウンフローで導入するのが好ましい。この様な構造とすることにより、塔単位容積当たりの処理量を大幅に向上させることができる。また、液滴を略水平方向に噴霧する場合、水平方向に噴霧された液滴をダウンフローガスで抑え込むことにより、乾燥塔の直径を大きく低減させることが可能となり、造粒物を安価かつ大量に製造することが可能となる。乾燥ガス温度は、通常５０℃以上、好ましくは７０℃以上であり、かつ通常１２０℃以下、好ましくは１００℃以下である。温度が高すぎると、得られた造粒粒子が中空構造の多いものとなり、粉体の充填密度が低下する傾向にあり、一方、低すぎると結露による粉体固着・閉塞等の問題が生じる可能性がある。
【００２６】
噴霧乾燥は造粒物の平均粒子径が５０μｍ以下、特に３０μｍ以下となるように行うのが好ましい。ただし、あまりに小さな粒径の造粒物は製造困難なので通常は平均粒径で４μｍ以上、好ましくは５μｍ以上のものを製造する。造粒物の粒子径は、噴霧形式、加圧気体流供給速度、スラリー供給速度、乾燥温度等を適宜選定することによって制御することができる。
【００２７】
造粒物はそのまま、又は粉末のリチウム源と混合したのち焼成して、目的とするリチウムニッケルマンガン複合酸化物とする。リチウム源との混合は常用の混合装置を用いて行えばよい。なお、混合に際しては造粒物が破砕しないように、すなわち造粒物がその形状を実質的に保持するように行うのが好ましい。
焼成温度は、原料として使用されるリチウム源、ニッケル源、及びマンガン源等の種類や、原子比によって異なるが、通常７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、更に好ましくは８００℃以上であり、また通常１０５０℃以下、好ましくは９５０℃以下である。温度が低すぎると、結晶性の良いリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得るために長時間の焼成時間を要する。また、温度が高すぎると目的とするリチウムニッケルマンガン複合酸化物以外の結晶相が生成したり、欠陥が多いリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成したりする。このようなリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極活物質として使用したリチウム二次電池は、電池容量が低下したり、充放電による結晶構造の崩壊による劣化を招くことがある。
【００２８】
焼成時間は温度によっても異なるが、通常前述の温度範囲であれば３０分以上、５０時間以下である。焼成時間が短すぎると結晶性の良い層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得るのが困難である。
結晶欠陥が少ないリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得るためには、焼成後、ゆっくりと冷却することが好ましく、例えば５℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で徐冷することが好ましい。
【００２９】
焼成時の雰囲気は、通常は空気等の酸素含有ガスである。
焼成装置としては常用のものを用いればよく、例えば箱形炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を使用することができる。
本発明で製造されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、下記一般式（Ｉ）で示されるものであり、層状構造を有している。
【００３０】
【化２】
ＬｉX ＮｉY ＭｎZ Ｑ(1-Y-Z)Ｏ2 …（Ｉ）
式（Ｉ）中、Ｘは０＜Ｘ≦１．２、好ましくは０＜Ｘ≦１．１の範囲の数を表す。Ｘが大きすぎると結晶構造が不安定化したり、これを使用したリチウム二次電池の電池容量低下を招く恐れがある。Ｙ及びＺは０．５≦Ｙ＋Ｚ≦１を満たし、かつ０．７≦Ｙ／Ｚ≦９の範囲の数を表す。相対的にマンガンの割合が大きくなると単一相のリチウムニッケルマンガン複合酸化物が合成しにくくなる。
【００３１】
なおニッケルとマンガンの原子比（Ｙ／Ｚ）は、複合酸化物の正極活物質としての特性に大きく影響する。例えばマンガンを多くして安価で放電電圧の高いものを所望の場合は、０．８≦Ｙ／Ｚ≦１．２、特に０．９≦Ｙ／Ｚ≦１．１とするのが好ましい。逆にニッケルが多く従って高価となっても電池の容量の大きいものを所望の場合には１≦Ｙ／Ｚ≦７、特に１．５≦Ｙ／Ｚ≦５とするのが好ましい。また、ニッケルとマンガンの合計、すなわちＹ＋ＺはＹ＋Ｚ≧０．６５であるのが好ましく、Ｙ＋Ｚ≧０．７５であれば更に好ましい。Ｙ＋Ｚが小さいと、これを正極活物質とする電池の容量が大きく低下することがある。
【００３２】
ＱはＡｌ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｇ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも一種を表す。これらのうち好ましいのは、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｇであり、より好ましいのは、Ａｌ、Ｃｏである。Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｇは、ＬｉＮｉ1-x Ｍｎx Ｏ2 （０．７≦Ｎｉ／Ｍｎ≦９）に対して容易に固溶し、単一相のリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成することができる。更に、Ａｌ、Ｃｏに関しては、得られるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池が高性能な電池特性、特に繰り返し充放電を行った際の放電容量維持率について良好な性能を示す。なお、上記一般式（Ｉ）の組成においては、酸素量に多少の不定比性があっても良い。
【００３３】
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、平均１次粒径としては、通常０．０１μｍ以上、好ましくは０．０２μｍ以上、更に好ましくは０．１μｍ以上であり、通常３０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは２μｍ以下である。また、平均２次粒径は通常１μｍ以上、好ましくは４μｍ以上であり、通常５０μｍ以下、好ましくは４０μｍ以下である。さらに、該リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、ＢＥＴ法による比表面積が０．１ｍ2 ／ｇ以上かつ８．０ｍ2 ／ｇ以下、好ましくは０．２ｍ2 ／ｇ以上かつ６．０ｍ2 ／ｇ以下である。１次粒子の大きさは、焼成温度、焼成時間等により制御することが可能であり、焼成温度を高くしたり、焼成時間を長くすることにより、１次粒子の粒子径を大きくすることができる。２次粒子の粒子径は、例えば、前記噴霧乾燥工程における気液比等の噴霧条件により制御することが可能である。比表面積は１次粒子の粒径および２次粒子の粒径により制御することが可能であり、１次粒子の粒径及び／又は２次粒子の粒径を大きくすることにより減少する。一般に、あまり小さい比表面積では、１次粒子が大きすぎて電池特性が不良である。逆にあまり大きい比表面積では、これを用いてリチウム二次電池を作製する場合の電極作製が困難になる。但し、適切な比表面積は、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の組成比によっても異なる。例えば、一般式（Ｉ）においてニッケルとマンガンが同量程度の場合、通常１ｍ2 ／ｇ以上、好ましくは２ｍ2 ／ｇ以上、かつ通常８．０ｍ2 ／ｇ以下、好ましくは６．０ｍ2 ／ｇ以下である。また置換金属元素としてコバルトを導入して、原子比をＹ：Ｚ：（１−Ｙ−Ｚ）＝０．６５：０．１５：０．２０とした場合、通常０．１ｍ2 ／ｇ以上、好ましくは０．２ｍ2 ／ｇ以上、かつ通常１．０ｍ2 ／ｇ以下、好ましくは０．８ｍ2 ／ｇ以下である。置換金属元素としてコバルトを導入する場合は、前述のような原子比程度であるのが好ましい。即ち数値で表すと１≦Ｙ／Ｚ≦７かつ０＜（１−Ｙ−Ｚ）≦０．３、特に２≦Ｙ／Ｚ≦５かつ０．１≦（１−Ｙ−Ｚ）≦０．２５であるのが好ましい。また、粉体充填密度は、タップ密度（２００回タップ後）で、通常は０．５ｇ／ｃｃ以上、好ましくは０．６ｇ／ｃｃ以上、さらに好ましくは０．８ｇ／ｃｃ以上である。粉体充填密度は高ければ高いほど、これを正極活物質とする電池の単位容積あたりのエネルギー密度を大きくすることができるが、現実的には３．０ｇ／ｃｃ以下であり、通常２．５ｇ／ｃｃ以下である。
【００３４】
なおリチウムニッケルマンガン複合酸化物の比表面積は、公知のＢＥＴ式粉体比表面積測定装置によって測定する。測定方式は連続流動法によるＢＥＴ１点法測定であり、使用する吸着ガス及びキャリアガスは窒素、空気、ヘリウムである。測定は粉体試料を混合ガスにより４５０℃以下の温度で加熱脱気し、次いで液体窒素により冷却して混合ガスを吸着させる。これを水により加温して吸着された窒素ガスを脱着させ、熱伝導度検出器によって検出し、脱着ピークとしてその量を求め、これから試料の比表面積を算出する。
【００３５】
本発明方法で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、リチウム二次電池の正極材料（活物質）として用いるのに好適である。すなわち、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物をバインダーと混合し、所望により更に導電材を混合したのち、溶媒を加えて均一な塗布液とし、これを集電体上に塗布して乾燥させることにより正極を形成することができる。
【００３６】
正極中には、ＬｉＦｅＰＯ4 等のように、リチウムニッケルマンガン複合酸化物以外のリチウムイオンを吸蔵・放出しうる活物質を更に含有させることもできる。
導電材としては、通常は天然黒鉛、人造黒鉛、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素材料が用いられる。正極中の導電材の割合は、通常０．０１重量％以上、好ましくは０．１重量％以上、更に好ましくは１重量％以上であり、かつ通常５０重量％以下、好ましくは４０重量％以下、更に好ましくは３０重量％以下である。導電材の割合が低すぎると導電性が不十分になることがあり、逆に高すぎると電池容量が低下する。
【００３７】
バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体）、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）、ＮＢＲ（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。正極中のバインダーの割合は、通常０．１重量％以上、好ましくは１重量％以上、更に好ましくは５重量％以上であり、かつ通常５０重量％以下、好ましくは３０重量％以下、更に好ましくは１０重量％以下である。バインダーの割合が低すぎると、活物質を十分に保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させることがあり、一方高すぎると電池容量や導電性が低下する。
【００３８】
溶媒としては、通常はＮ−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等の有機溶媒を用いるが、水を用いることもできる。また、バインダー樹脂のラテックスを用いることもできる。
【００３９】
集電体の材質としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が挙げられる。好ましくはアルミニウムである。集電体の厚さは、通常１〜１０００μｍ、好ましくは５〜５００μｍ程度である。正極は、通常集電体上に前述の塗布液を塗布、乾燥したのち、ローラープレス等の手法により圧密する。一方負極としては、天然黒鉛、熱分解炭素等の炭素材料を銅等の集電体上に塗布したもの、或いはリチウム金属箔、リチウム−アルミニウム合金等が使用できる。好ましくは炭素材料を使用する。
【００４０】
炭素材料としては通常は、黒鉛、コークス、石炭系や石油系ピッチの炭化物、或いはこれらピッチを酸化処理したものの炭化物、ニードルコークス、ピッチコークス、フェノール樹脂、結晶セルロース等の炭化物等及びこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等が用いられる。
【００４１】
また負極活物質としては、ＳｎＯ、ＳｎＯ2 、Ｓｎ1-x Ｍx Ｏ（Ｍ＝Ｈｇ、Ｐ、ＢＳｉ、Ｇｅ又はＳｂ、但し０≦ｘ＜１）、Ｓｎ3 Ｏ2 （ＯＨ）、Ｓｎ3-x Ｍx Ｏ2 （ＯＨ）2 （Ｍ＝Ｍｇ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｂ又はＭｎ、但し０≦ｘ＜３）、ＬｉＳｉＯ2 、ＳｉＯ2 又はＬｉＳｎＯ2 等を用いることもできる。
リチウム二次電池に使用する電解液は非水電解液であり、電解塩を非水系溶媒に溶解したものである。電解塩としてはＬｉＣｉＯ4 、ＬｉＡｓＦ6 、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＢＦ4 、ＬｉＢｒ、ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 等のリチウム塩が挙げられる。また、非水系溶媒としては、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等のカーボネート類、エーテル類、ケトン類、スルホラン系化合物、ラクトン類、ニトリル類、塩素化炭化水素類、エーテル類、アミン類、エステル類、アミド類、リン酸エステル化合物等が挙げられる。これら電解塩や非水系溶媒は単独で用いても良いし、２種類以上を混合して用いても良い。なお、これらの電解液の代りに、従来公知の各種の固体電解質やゲル状電解質を使用することもできる。
【００４２】
リチウム二次電池に用いられるセパレータとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリエステル、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル等の微多孔性高分子フィルター、又はガラス繊維等の不織布フィルター、或いはガラス繊維と高分子繊維の複合不織布フィルター等を挙げることができる。セパレータの化学的及び電気化学的安定性は重要な因子であり、この点からポリオレフィン系高分子が好ましく、電池セパレータの目的の１つである自己閉塞温度の点からポリエチレン製であることが望ましい。
【００４３】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に制約されるものではない。
実施例１
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＯＨ）2 及びＭｎ2 Ｏ3 をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ＝１．０５：０．５０：０．５０（原子比）となるように混合し、これに純水を加えて固形分濃度１２．５重量％のスラリーを調製した。このスラリーを攪拌しながら、循環式媒体攪拌型湿式粉砕機（シンマルエンタープライゼス社製：ダイノーミルＫＤＬ−Ａ型）を用いて、スラリー中の固形分の平均粒子径が０．３０μｍになるまで粉砕した。３００ｍｌポットを用い、粉砕時間は６時間であった。このスラリーの粘度をＢＭ型粘度計（トキメック社製）により測定したところ、初期粘度は１５１０ｍＰａ・ｓであった。
【００４４】
このスラリーを、二流体ノズル型スプレードライヤー（大川原化工機社製：Ｌ−８型スプレードライヤー）を用いて噴霧乾燥を行った。乾燥ガスとしては空気を用い、乾燥ガス導入量は４５ｍ3 ／ｍｉｎ、乾燥ガス入り口温度は９０℃とした。そして、噴霧乾燥により得られた造粒物を９００℃で１０時間空気中で焼成することにより、ほぼ仕込みの原子比組成のリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
【００４５】
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、平均二次粒子径４．９μｍ、最大粒子径１５μｍのほぼ球状の形状を有する粒子であった。
なお、スラリー中の固形分の平均粒子径、及び得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の平均粒子径・最大粒径は、レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所製：ＬＡ−９２０型粒度分布測定装置）を用いて求めた。具体的には、室温大気中で、スラリー又は焼成物粉末を０．１％ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に超音波分散及び攪拌により分散させ、透過率を７０％〜９５％の間に調節し、測定される粒度分布より平均粒径及び最大粒径を求めた。
【００４６】
また、得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。
この複合酸化物５ｇを１０ｍｌのガラス製メスシリンダーに入れ、２００回タップした後の粉体充填密度（タップ密度）を測定した結果、０．９ｇ／ｃｃであった。
【００４７】
この複合酸化物のＢＥＴ法比表面積を測定した結果、５．０ｍ2 ／ｇであった。比表面積の測定は、ＢＥＴ式粉体比表面積測定装置（大倉理研製：ＡＭＳ８０００型全自動粉体比表面積測定装置）を用いて求めた。
なお、スラリー中にＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏを含有させなかった以外は上記と全く同様にしてスラリーの調製（濃度１２．５重量％）、及び噴霧乾燥を行い、得られた造粒物にＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏの粉末（最大粒径で２０μｍ以下）をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ＝１．０５：０．５：０．５となるように加え、手でよく混合したのち９００℃で１０時間空気中で焼成しても、上記で得られたのと殆ど同一の菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得ることができる。
【００４８】
実施例２
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、ＮｉＯ、Ｍｎ2 Ｏ3 、Ｃｏ（ＯＨ）2 をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｃｏ＝１．０５：０．６５：０．１５：０．２０（原子比）となるように混合してスラリーを調製し、かつ焼成を８５０℃で１０時間空気中で行った以外は、実施例１と同様にしてリチウムマンガンニッケル複合酸化物を得た。
【００４９】
スラリーの初期粘度は２２０ｍＰａ・ｓであった。スラリー中に含まれる固形分の平均粒径は０．３μｍであった。得られた複合酸化物は、平均粒子径９．８μｍ、最大粒径３４μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。また、得られた複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。この複合酸化物５ｇを１０ｍｌのガラス製メスシリンダーに入れ、２００回タップした後の粉体充填密度（タップ密度）を測定した結果、２．０ｇ／ｃｃであった。また、この複合酸化物のＢＥＴ法比表面積を測定した結果、０．８ｍ2 ／ｇであった。
【００５０】
実施例３
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＯＨ）2 、Ｍｎ2 Ｏ3 及びＡｌＯＯＨをＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ａｌ＝１．０５：０．４５：０．４５：０．１０（原子比）となるように混合してスラリーを調製した以外は、実施例１と同様にしてリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
【００５１】
スラリーの初期粘度は７９０ｍＰａ・ｓであった。得られた複合酸化物は平均粒径５．０μｍ、最大粒径１５μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。このものは粉末Ｘ線回折により菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。２００回タップした後の粉末充填密度（タップ密度）０．９ｇ／ｃｃであり、ＢＥＴ法比表面積は５．７ｍ2 ／ｇであった。
【００５２】
実施例４
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＯＨ）2 、Ｍｎ2 Ｏ3 及びＣｏ（ＯＨ）2 をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｃｏ＝１．０５：０．４５：０．４５：０．１０（原子比）となるように混合してスラリーを調製した以外は、実施例１と同様にしてリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
【００５３】
スラリーの初期粘度は８２０ｍＰａ・ｓであった。得られた複合酸化物は平均粒径５．８μｍ、最大粒径１５μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。このものは粉末Ｘ線回折により菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。２００回タップした後の粉末充填密度（タップ密度）１．０ｇ／ｃｃであり、ＢＥＴ法比表面積は３．４ｍ2 ／ｇであった。
【００５４】
実施例５
ニッケル原料としてＮｉＯを用いた以外は実施例１と同様にして、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
スラリーの初期粘度は１９０ｍＰａ・ｓであった。得られた複合酸化物は平均粒径７．１μｍ、最大粒径２０μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。このものは粉末Ｘ線回折により菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。２００回タップした後の粉末充填密度（タップ密度）は１．１ｇ／ｃｃであり、ＢＥＴ法比表面積は２．８ｍ2 ／ｇであった。
【００５５】
比較例１
最大粒径２０μｍ以下のＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、平均粒径０．５５μｍのＮｉＯ及び平均粒径４．４μｍのＭｎ2 Ｏ3 を、Ｌｉ：Ｎｉ：Ｍｎ＝１．０５：０．５：０．５（原子比）となるように混合し、これを適当な容器に入れて手でよく振動させて混合した後、９００℃で１０時間空気中で焼成した。
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物単一相ではないことが確認された。
【００５６】
比較例２
比較例１で用いたのと同じＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、ＮｉＯ及びＭｎ2 Ｏ3 並びに平均粒径７．９μｍのＣｏ（ＯＨ）2 を、Ｌｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｃｏ＝１．０５：０．６５：０．１５：０．２０（原子比）となるように混合し、これを適当な容器に入れて手でよく振動させて混合した後、８５０℃で１０時間空気中で焼成した。
【００５７】
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物単一相ではないことが確認された。
電池評価試験（１）
以下の方法で、本発明の実施例及び比較例で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の正極活物質としての評価を行った。
【００５８】
Ａ．正極の作製
実施例及び比較例で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を７５重量部、アセチレンブラック２０重量部、及びポリテトラフルオロエチレンパウダー５重量部を乳鉢で十分混合し、薄くシート状にしたものを９ｍｍφのポンチを用いて打ち抜いた。得られたものの重量は約８ｍｇであった。これをアルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して正極とした。
【００５９】
Ｂ．リチウム金属を対極とする電池の作製と特性試験
コイン型セルに９ｍｍφに打ち抜いた正極を入れ、その上に厚さ２５μｍの多孔性ポリエチレンフィルム（セパレータ）を置き、更にその上にリチウム金属（負極）をのせた。これに非水電解液（エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの３：７（容量比）混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）を１モル／Ｌとなるように溶解したもの）を加え、更に厚み調整用のスペーサをのせたのち、ポリプロピレン製ガスケットを介して蓋をかしめて電池とした。
【００６０】
この電池について、０．２ｍＡ／ｃｍ2 で４．２Ｖ又は４．３Ｖまで定電流充電を行い、次いで３．０Ｖまで０．２ｍＡ／ｃｍ2 で定電流放電を行った。このときの放電容量Ｑｓ（ｍＡｈｒ／ｇ）と充電容量Ｑｃ（ｍＡｈｒ／ｇ） に対する放電容量の比（Ｅ％）とを表１に示す。また、この充放電に引続いて、４．３Ｖ−３．０Ｖの定電流充放電を、充電は毎回０．２ｍＡ／ｃｍ2 一定で行い、放電を０．５ｍＡ／ｃｍ2 、１ｍＡ／ｃｍ2 、３ｍＡ／ｃｍ2 、５ｍＡ／ｃｍ2 、７ｍＡ／ｃｍ2 、９ｍＡ／ｃｍ2 及び１１ｍＡ／ｃｍ2 と１回毎に順次電流値を高めて行った。最後の１１ｍＡ／ｃｍ2 で定電流放電したときの放電容量Ｑａ（ｍＡｈｒ／ｇ）を表１に示す。
【００６１】
電池評価試験（２）
Ａ．正極の作製
電池評価試験（１）におけると同様にして作製した。ただしポンチは１２ｍφのものを用いた。得られたものの重量は約１８ｍｇであった。
Ｂ．負極の作製
粒径約８〜１０μｍの黒鉛粉末（ｄ002＝３．３５Ａ）９２．５重量部と、ポリフッ化ビニリデン７．５重量部とを混合し、これにＮ−メチルピロリドンを加えてスラリーとした。厚さ２０μｍの銅箔の片面にこのスラリーを塗布し、乾燥させた。これを１２ｍｍφのポンチで打ち抜き、更に０．５ｔｏｎ／ｃｍ2 でプレス処理して負極とした。
【００６２】
Ｃ．電池の作製
電池評価試験（１）におけると同様にして電池を作製した。なお、正極活物質の重量と負極活物質との重量比は、電池評価試験（１）で測定した正極の充電容量Ｑｓ（ｍＡｈｒ／ｇ）に対して負極の充電容量が１．２倍となるようにした。負極の充電容量は、この負極と対極としてのリチウム金属とで電池評価試験（１）におけると同様にして電池を作製し、０Ｖまで０．２ｍＡ／ｃｍ2 で定電流放電を行った際の、負極活物質単位重量当たりの初期充電容量に基づいて算出した。
【００６３】
Ｄ．サイクル試験
室温下、０．２Ｃ（１Ｃは１時間電流値であり、１Ｃ（ｍＡ）＝Ｑｓｘ正極活物質重量で算出される）の定電流で、２サイクルの充放電を行い、次いで１Ｃの定電流で１サイクルの充放電を行った。引続いて５０℃の下で０．２Ｃの定電流で１サイクルの充放電を行い、次いで１Ｃの定電流で１００サイクルの充放電を行った。充放電の下限は３．０Ｖ、上限は４．１Ｖ又は４．２Ｖとした。５０℃、１Ｃの定電流での１００サイクルの充放電の１サイクル目の放電容量に対する１００サイクル目の放電容量の比をＰ（％）として表１に示す。
【００６４】
【表１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法、及びこの製造方法で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いた二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池の正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物が有望視されている。なかでも、遷移金属がコバルト、ニッケル又はマンガンである化合物、すなわちリチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、又はリチウムマンガン酸化物を正極活物質とすると、高性能の電池を得られることが知られている。さらに、リチウム遷移金属複合酸化物の安定化や電池の高容量化、安全性向上、高温での電池特性の改良のために、遷移金属の一部を他の金属元素（以下、このような遷移金属の置換のための金属元素を「置換金属元素」という場合がある）で置換したリチウム遷移金属複合酸化物を用いることも知られている。例えばリチウム遷移金属複合酸化物の１種であるスピネル型リチウムマンガン酸化物ＬｉＭｎ2 Ｏ4 の場合、Ｍｎ価数は形式上３．５価であり、３価と４価が半々ずつ混在している状態であるが、このＭｎ価数より小さい価数の他の遷移金属でＭｎの一部を置換することにより、ヤーンテラー歪みのあるＭｎ３価を減少させて結晶構造を安定化させ、最終的に電池特性を向上させることができる。
【０００３】
また、コバルトは希少で高価なので、リチウムコバルト酸化物の製造費用を低下させるために、置換金属元素を導入することが考えられる。例えば、ＬｉＣｏ1-x Ｎｉx Ｏ2 （０＜ｘ＜１）といったリチウムコバルト複合酸化物が考えられ、高価なＣｏの比率を下げるためにｘを大きくし、なおかつ正極活物質としての性能を上げる研究がなされている。
【０００４】
これと同様に、ＮｉとＭｎを比べた場合、Ｎｉの方が高価なことから、ＬｉＮｉ1-x Ｍｎx Ｏ2 （０＜ｘ＜１）といったリチウムニッケル複合酸化物も考えられる。このようなニッケルとマンガンとを含有するリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、電池性能の面でも注目すべき点があり、極めて有望な材料である。しかしながら、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ ３１１−３１８（１９９２）や、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．１１４９−１１５５（１９９６）や、Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ６２９−６３３（１９９７）や、Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ４６−５３（１９９８）では、合成可能な範囲は０≦ｘ≦０．５とされており、それよりｘが大きくなると単一相が得られないとされている。
【０００５】
一方、第４１回電池討論会２Ｄ２０（２０００）では、ｘ＝０．５に相当するＮｉ：Ｍｎ＝１：１の層状構造をもつ結晶性の高い単一相を共沈法により合成したとの報告がある。それによれば、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、単一相の結晶中にニッケルとマンガンが均一に存在している。そしてニッケルとマンガンを均一に存在させるために、原料のニッケル化合物とマンガン化合物を原子レベルで均一に分散させる必要があり、そのためには共沈法が好ましいとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共沈法は原料が限定されるうえ、工業的規模で実施するには必ずしも適しているとは云い難い。かつ共沈物を原料とすると、生成する複合酸化物は不定形の粒子となるので、正極とする際の粉体充填密度が小さくなるという問題がある。また、ニッケルとマンガンとを原子レベルで均一に反応させるには共に２価のイオンであることが好ましいが、２価のマンガンは水溶液中で容易に酸化されて３価となり易い。酸化を防ぐには溶存酸素を除去するなどの処理が必要であり、操作が煩雑である。従って本発明は、共沈法によらずに、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造する方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ニッケル源、マンガン源及びリチウム源を含む混合物を焼成してリチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造する方法において、少なくともニッケル源及びマンガン源として、この両者を含有するスラリーであって固形物の平均粒子径が０．５μｍ以下のものを噴霧乾燥して得たものを用いることにより、良好な単一相生成物を容易に製造することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、ニッケル源及びマンガン源として、この両者を含むスラリーを噴霧乾燥したものを用いる。リチウム源はこのスラリー中に含有させておいてもよく、また噴霧乾燥により得られたニッケル源及びマンガン源の混合物に、後から添加してもよい。
【０００９】
リチウム源としては、各種のリチウム化合物、例えば、Ｌｉ2 ＣＯ3 、ＬｉＮＯ3 、ＬｉＯＨ、ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、アルキルリチウム、酢酸リチウムなどの有機リチウム化合物、ＬｉＣｌ、ＬｉＩなどのリチウムハロゲン化物等を用いることができる。なかでもＬｉ2 ＣＯ3 、ＬｉＮＯ3 、ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、酢酸リチウムなどを用いるのが好ましい。リチウム源として最も好ましいのは通常はＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏである。このものは焼成に際してニッケル源及びマンガン源と容易に反応してリチウムニッケルマンガン複合酸化物を与える。
【００１０】
ニッケル源としても各種のニッケル化合物を用いることができる。そのいくつかを例示すると、Ｎｉ（ＯＨ）2 、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨ、ＮｉＣＯ3 ・２Ｎｉ（ＯＨ）2 ・４Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＮＯ3 ）2 ・６Ｈ2 Ｏ、ＮｉＳＯ4 、ＮｉＳＯ4 ・６Ｈ2 Ｏ、脂肪酸ニッケル、シュウ酸ニッケルなどの有機ニッケル化合物、及びニッケルハロゲン化物などを挙げることができる。好ましくはＮｉ（ＯＨ）2 、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨ、ＮｉＣＯ3 ・２Ｎｉ（ＯＨ）2 ・４Ｈ2 Ｏ、ＮｉＣ2 Ｏ4 ・２Ｈ2 Ｏのような焼成に際してＮＯｘ及びＳＯｘ等の有害物質を発生させないものを用いる。なかでも工業原料として安価に入手でき、かつ湿式粉砕が容易である点でＮｉ（ＯＨ）2 、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨなどを用いるのが好ましい。
【００１１】
マンガン源としては、Ｍｎ3 Ｏ4 、Ｍｎ2 Ｏ3 、ＭｎＯ2 、ＭｎＯＯＨ、ＭｎＣＯ3 、Ｍｎ（ＮＯ3 ）2 、ＭｎＳＯ4 、有機マンガン化合物、マンガン水酸化物、及びマンガンハロゲン化物などを用いることができる。これらのマンガン源の中でも、Ｍｎ2 Ｏ3 、ＭｎＯ2 、Ｍｎ3 Ｏ4 は、最終目的物である複合酸化物のマンガン酸化数に近い価数を有しているため好ましい。さらに工業原料として安価に入手でき、かつ湿式粉砕が容易である点から、特に好ましいのはＭｎ2 Ｏ3 である。
【００１２】
本発明では、スラリー中に更に他の金属源を含有させることができ、これにより最終的に得られるリチウムニッケルマンガン複合酸化物中にこれらの金属を含有させることができる。このような金属元素としては、アルミニウム、コバルト、鉄、マグネシウム、カルシウム等を挙げることができる。この中でも、アルミニウム、コバルト、マグネシウムが好ましく、アルミニウム、コバルトが更に好ましい。アルミニウム、コバルト及びマグネシウムは、リチウムニッケルマンガン複合酸化物に容易に固溶して単一相を得ることができるという利点があり、更にアルミニウム及びコバルトは、これを含む複合酸化物をリチウム二次電池の正極活物質として用いたときに、高性能な電池特性、特に繰り返し充放電を行った際の放電容量維持率について良好な性能を示すという利点がある。複合酸化物中には、これらの金属元素を複数種含有させても良い。
【００１３】
これらの金属元素源としては、オキシ水酸化物、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物の他、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等の無機酸塩や、酢酸塩、シュウ酸塩等の有機酸塩を挙げることができる。
アルミニウム源としては、ＡｌＯＯＨ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ａｌ（ＯＨ）3 、ＡｌＣｌ3 、Ａｌ（ＮＯ3 ）3 ・９Ｈ2 Ｏ、有機アルミニウム化合物及びＡｌ2 （ＳＯ4 ）3 等の各種のアルミニウム化合物を挙げることができる。好ましくはＡｌＯＯＨ、Ａｌ2 Ｏ3 又はＡｌ（ＯＨ）3 を用いる。工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高い点でＡｌＯＯＨを用いるのが最も好ましい。
【００１４】
コバルト源としては、Ｃｏ（ＯＨ）2 、ＣｏＯ、Ｃｏ2 Ｏ3 、Ｃｏ3 Ｏ4 、酢酸コバルト等の有機コバルト化合物、ＣｏＣｌ2 、Ｃｏ（ＮＯ3 ）2 ・６Ｈ2 Ｏ、及びＣｏ（ＳＯ4 ） ・７Ｈ2 Ｏ等の各種のコバルト化合物を挙げることができる。好ましくはＣｏ（ＯＨ）2 、ＣｏＯ、Ｃｏ2 Ｏ3 、又はＣｏ3 Ｏ4 を用いる。工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高い点でＣｏ（ＯＨ）2 を用いるのが最も好ましい。
【００１５】
鉄源としては、ＦｅＯ（ＯＨ）、Ｆｅ2 Ｏ3 、Ｆｅ3 Ｏ4 、ＦｅＣｌ2 、ＦｅＣｌ3 、Ｆｅ（ＮＯ3 ）3 ・９Ｈ2 Ｏ、シュウ酸鉄その他の有機鉄化合物、ＦｅＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ及びＦｅ2 （ＳＯ4 )3 ・ｎＨ2 Ｏ等の各種の鉄化合物を挙げることができる。なかでもＦｅＯ（ＯＨ）、Ｆｅ2 Ｏ3 又はＦｅ3 Ｏ4 を用いるのが好ましく、最も好ましいのは、工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高い点でＦｅＯ（ＯＨ）及びＦｅ2 Ｏ3 である。
【００１６】
マグネシウム源としては、Ｍｇ（ＯＨ）2 、ＭｇＯ、シュウ酸マグネシウム、酢酸マグネシウム等の有機マグネシウム化合物、ＭｇＣｌ2 、Ｍｇ（ＮＯ3 ）2 ・６Ｈ2 Ｏ、及びＭｇＳＯ4 等の各種のマグネシウム化合物を挙げることができる。なかでもＭｇ（ＯＨ）2 又はＭｇＯ、特にＭｇ（ＯＨ）2 を用いるのが好ましい。
【００１７】
カルシウム源としては、Ｃａ（ＯＨ）2 、ＣａＯ、酢酸カルシウムやシュウ酸カルシウム等の有機カルシウム化合物、ＣａＣＯ3 、ＣａＣ2 、ＣａＣｌ2 、ＣａＷＯ4 、Ｃａ（ＮＯ3 ）2 ・４Ｈ2 Ｏ、及びＣａＳＯ4 ・２Ｈ2 Ｏ等の各種のカルシウム化合物を挙げることができる。なかでもＣａ（ＯＨ）2 、ＣａＯ又はＣａＣＯ3 を用いるのが好ましい。最も好ましいのは、工業的に安価に入手でき、かつ反応性が高いＣａ（ＯＨ）2 である。
【００１８】
スラリー調製に際してのリチウム、ニッケル、マンガン、及び必要に応じて用いられるアルミニウムやコバルト等の置換金属元素の原子比は、目的とするリチウムニッケルマンガン複合酸化物の組成に応じて適宜調節する。例えばニッケルとマンガンは、原子比（Ｎｉ／Ｍｎ）が０．７≦Ｎｉ／Ｍｎ≦９の範囲で、複合酸化物に所望の組成に応じてその原子比を調節する。またニッケル及びマンガンの合計原子数に対するアルミニウム等の置換金属元素の合計原子数の比（置換金属元素／Ｎｉ＋Ｍｎ）は、０〜１．０の範囲で複合酸化物に所望の組成に応じてその原子比を調節する。なお、リチウムは必ずしもスラリー中に含有させておく必要はなく、ニッケル及びマンガン、更にはアルミニウム等の置換金属元素を含むスラリーを噴霧乾燥して得たものにリチウム源を粉末で混合して焼成しても、所望の組成の複合酸化物を得ることができる。すなわちニッケルやマンガン、更にはアルミニウム等の置換金属元素と異なり、リチウムは焼成という固相反応に際して移動しやすいので、予め他の元素と均一に混合しておかなくてもよい。なお、リチウムは焼成に際して揮散しやすいので、複合酸化物に所望の組成よりも多量に用いるのが好ましい。また、ニッケル源及びマンガン源を含むスラリーを噴霧乾燥して得たものにリチウム源を混合する際には、リチウム源は最大粒径が１００μｍ以下、特に５０μｍ以下の微粉末として混合するのが好ましい。但し微粉末とする費用と微粉末を用いることによる効果との関係を考慮すると、通常は微粉末の平均粒径をスラリー中の固形分の平均粒径と同様の方法で測定して０．１μｍ以下とする必要はなく、多くの場合には平均粒径で０．５μｍまでで十分である。
【００１９】
スラリーに用いられる分散媒としては、各種の有機溶媒、水性溶媒を使用することができるが、好ましいのは水である。
スラリー全体の重量に対する、リチウム源、ニッケル源、及びマンガン源等の原料の総重量比は、通常１０重量％以上、好ましくは１２．５重量％以上である。スラリー濃度が希薄であると、噴霧乾燥により得られる粒子が小粒化したり、粒子内部に空隙が生じて破損しやすくなったりする。逆に濃度が高すぎるとスラリーの均一性を保つのが困難となるので、スラリー濃度は５０重量％以下、特に３５重量％以下とするのが好ましい。
【００２０】
スラリー中の固形物の平均粒子径は０．５μｍ以下である。スラリー中の固形物の平均粒子径が大きすぎると、焼成工程における反応性が低下するだけでなく、噴霧乾燥により得られる造粒物の球状度が低下し、最終的に得られる複合酸化物の粉体充填密度が低くなる傾向にある。この傾向は、平均粒子径で５０μｍ以下の造粒物を製造しようとした場合に特に顕著になる。しかしスラリー中の固形物を必要以上に小粒子化することは、コストアップをまねくので、固形物の平均粒子径を０．０１μｍ以下とする必要はない。粉砕費用と粉砕により得られる利点とを考慮すると、粉砕は平均粒子径が０．０５μｍ、特に０．１μｍを下廻らないようにするのが好ましい。
【００２１】
本発明においては、リチウム源、ニッケル源、及びマンガン源等を分散媒中で混合してスラリーを調製するに際し、媒体攪拌型粉砕機等を使用して強く攪拌して湿式粉砕を行うのが好ましい。これによりスラリー中での金属元素の均一性を向上させ、かつ焼成工程での反応性を向上させることができる。湿式粉砕に用いる湿式粉砕機としては、ホモジナイザー、ホモミキサー等の主に分散解砕を目的とするものや、ビーズミル、ボールミル、振動ミル等の主に粉砕を目的とするもの等が挙げられるが、後者の粉砕機はスラリー固形分の粉砕効率が非常に高いことから、これを用いてスラリー中の固形分を所望の小粒径にまで粉砕するのが好ましい。特に好ましいのは、ビーズミルによる湿式粉砕である。
【００２２】
なお、本発明においては、スラリー中の固形分の平均粒子径、噴霧乾燥により得られた造粒物の平均粒子径、及びリチウムニッケルマンガン複合酸化物の平均粒子径は、いずれも公知のレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置によって測定する。この方法の測定原理は下記の通りである。即ち、スラリー又は粉体を分散媒に分散させたものにレーザー光を照射し、粒子に入射されて散乱（回折）した散乱光をディテクタで検出する。検出された散乱光の散乱角θ（入射方向と散乱方向の角度）は、大きい粒子の場合は前方散乱（０＜θ＜９０°）となり、小さい粒子の場合は側方散乱又は後方散乱（９０°＜θ＜１８０°）となる。測定された角度分布値から、入射光波長及び粒子の屈折率等の情報を用いて粒子径分布を算出する。更に得られた粒子径分布から平均粒子径を算出する。測定の際に用いる分散媒としては、例えば０．１重量％ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用いる。
【００２３】
また、スラリーの粘度は、通常５０ｍＰａ・ｓ以上である。１００ｍＰａ・ｓ以上、特に２００ｍＰａ・ｓ以上であるのが好ましい。粘度が上記範囲以下の場合は、噴霧乾燥に大きな負担がかかったり、噴霧乾燥により得られる造粒物が小粒化したり破損しやすくなったりする。逆に粘度が大きすぎると、ポンプによるスラリーの輸送が困難になるので、粘度は通常は３０００ｍＰａ・ｓ以下とすべきである。２０００ｍＰａ・ｓ以下、特に１６００ｍＰａ・ｓ以下とするのが好ましい。スラリーの粘度測定は、公知のＢＭ型粘度計を用いて行う。ＢＭ型粘度計は、室温大気中において所定の金属製ローターを回転させる方式を採用する測定方法である。スラリーの粘度は、ローターをスラリー中に浸した状態でローターを回転させ、その回転軸にかかる抵抗力（捻れの力）から算出される。但し、室温大気中とは気温１０℃〜３５℃、相対湿度２０％ＲＨ〜８０％ＲＨの通常の実験室の環境を意味する。
【００２４】
噴霧乾燥は常法により行えばよい。例えば、ノズルの先端に気体流とスラリーとを流入させることによってノズルからスラリーを液滴として吐出させ、乾燥ガスと接触させて液滴を迅速に乾燥させる方法を用いることができる。乾燥ガスとしては、空気、窒素等を用いることができるが、通常は空気が用いられる。これらは加圧して使用することが好ましい。ノズルからの気体流は、ガス線速として、通常１００ｍ／ｓ以上、好ましくは２００ｍ／ｓ以上、さらに好ましくは３００ｍ／ｓ以上で噴射される。ガス線速が小さすぎると適切な液滴を形成し難くなる。但し、あまりに大きな線速は得にくいので、通常噴射速度は１０００ｍ／ｓ以下である。ノズルの形状は、微小液滴を吐出することができるものであればよく、従来から公知のもの、例えば、特許第２７９７０８０号公報に記載されているようなノズルを使用することもできる。なお、液滴は環状に噴霧されることが、生産性向上の点で好ましい。
【００２５】
乾燥ガスは搭上部から下部に向かうダウンフローで導入するのが好ましい。この様な構造とすることにより、塔単位容積当たりの処理量を大幅に向上させることができる。また、液滴を略水平方向に噴霧する場合、水平方向に噴霧された液滴をダウンフローガスで抑え込むことにより、乾燥塔の直径を大きく低減させることが可能となり、造粒物を安価かつ大量に製造することが可能となる。乾燥ガス温度は、通常５０℃以上、好ましくは７０℃以上であり、かつ通常１２０℃以下、好ましくは１００℃以下である。温度が高すぎると、得られた造粒粒子が中空構造の多いものとなり、粉体の充填密度が低下する傾向にあり、一方、低すぎると結露による粉体固着・閉塞等の問題が生じる可能性がある。
【００２６】
噴霧乾燥は造粒物の平均粒子径が５０μｍ以下、特に３０μｍ以下となるように行うのが好ましい。ただし、あまりに小さな粒径の造粒物は製造困難なので通常は平均粒径で４μｍ以上、好ましくは５μｍ以上のものを製造する。造粒物の粒子径は、噴霧形式、加圧気体流供給速度、スラリー供給速度、乾燥温度等を適宜選定することによって制御することができる。
【００２７】
造粒物はそのまま、又は粉末のリチウム源と混合したのち焼成して、目的とするリチウムニッケルマンガン複合酸化物とする。リチウム源との混合は常用の混合装置を用いて行えばよい。なお、混合に際しては造粒物が破砕しないように、すなわち造粒物がその形状を実質的に保持するように行うのが好ましい。
焼成温度は、原料として使用されるリチウム源、ニッケル源、及びマンガン源等の種類や、原子比によって異なるが、通常７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、更に好ましくは８００℃以上であり、また通常１０５０℃以下、好ましくは９５０℃以下である。温度が低すぎると、結晶性の良いリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得るために長時間の焼成時間を要する。また、温度が高すぎると目的とするリチウムニッケルマンガン複合酸化物以外の結晶相が生成したり、欠陥が多いリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成したりする。このようなリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極活物質として使用したリチウム二次電池は、電池容量が低下したり、充放電による結晶構造の崩壊による劣化を招くことがある。
【００２８】
焼成時間は温度によっても異なるが、通常前述の温度範囲であれば３０分以上、５０時間以下である。焼成時間が短すぎると結晶性の良い層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得るのが困難である。
結晶欠陥が少ないリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得るためには、焼成後、ゆっくりと冷却することが好ましく、例えば５℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で徐冷することが好ましい。
【００２９】
焼成時の雰囲気は、通常は空気等の酸素含有ガスである。
焼成装置としては常用のものを用いればよく、例えば箱形炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を使用することができる。
本発明で製造されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、下記一般式（Ｉ）で示されるものであり、層状構造を有している。
【００３０】
【化２】
ＬｉX ＮｉY ＭｎZ Ｑ(1-Y-Z)Ｏ2 …（Ｉ）
式（Ｉ）中、Ｘは０＜Ｘ≦１．２、好ましくは０＜Ｘ≦１．１の範囲の数を表す。Ｘが大きすぎると結晶構造が不安定化したり、これを使用したリチウム二次電池の電池容量低下を招く恐れがある。Ｙ及びＺは０．５≦Ｙ＋Ｚ≦１を満たし、かつ０．７≦Ｙ／Ｚ≦９の範囲の数を表す。相対的にマンガンの割合が大きくなると単一相のリチウムニッケルマンガン複合酸化物が合成しにくくなる。
【００３１】
なおニッケルとマンガンの原子比（Ｙ／Ｚ）は、複合酸化物の正極活物質としての特性に大きく影響する。例えばマンガンを多くして安価で放電電圧の高いものを所望の場合は、０．８≦Ｙ／Ｚ≦１．２、特に０．９≦Ｙ／Ｚ≦１．１とするのが好ましい。逆にニッケルが多く従って高価となっても電池の容量の大きいものを所望の場合には１≦Ｙ／Ｚ≦７、特に１．５≦Ｙ／Ｚ≦５とするのが好ましい。また、ニッケルとマンガンの合計、すなわちＹ＋ＺはＹ＋Ｚ≧０．６５であるのが好ましく、Ｙ＋Ｚ≧０．７５であれば更に好ましい。Ｙ＋Ｚが小さいと、これを正極活物質とする電池の容量が大きく低下することがある。
【００３２】
ＱはＡｌ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｇ及びＣａからなる群から選ばれる少なくとも一種を表す。これらのうち好ましいのは、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｇであり、より好ましいのは、Ａｌ、Ｃｏである。Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｇは、ＬｉＮｉ1-x Ｍｎx Ｏ2 （０．７≦Ｎｉ／Ｍｎ≦９）に対して容易に固溶し、単一相のリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成することができる。更に、Ａｌ、Ｃｏに関しては、得られるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池が高性能な電池特性、特に繰り返し充放電を行った際の放電容量維持率について良好な性能を示す。なお、上記一般式（Ｉ）の組成においては、酸素量に多少の不定比性があっても良い。
【００３３】
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、平均１次粒径としては、通常０．０１μｍ以上、好ましくは０．０２μｍ以上、更に好ましくは０．１μｍ以上であり、通常３０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは２μｍ以下である。また、平均２次粒径は通常１μｍ以上、好ましくは４μｍ以上であり、通常５０μｍ以下、好ましくは４０μｍ以下である。さらに、該リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、ＢＥＴ法による比表面積が０．１ｍ2 ／ｇ以上かつ８．０ｍ2 ／ｇ以下、好ましくは０．２ｍ2 ／ｇ以上かつ６．０ｍ2 ／ｇ以下である。１次粒子の大きさは、焼成温度、焼成時間等により制御することが可能であり、焼成温度を高くしたり、焼成時間を長くすることにより、１次粒子の粒子径を大きくすることができる。２次粒子の粒子径は、例えば、前記噴霧乾燥工程における気液比等の噴霧条件により制御することが可能である。比表面積は１次粒子の粒径および２次粒子の粒径により制御することが可能であり、１次粒子の粒径及び／又は２次粒子の粒径を大きくすることにより減少する。一般に、あまり小さい比表面積では、１次粒子が大きすぎて電池特性が不良である。逆にあまり大きい比表面積では、これを用いてリチウム二次電池を作製する場合の電極作製が困難になる。但し、適切な比表面積は、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の組成比によっても異なる。例えば、一般式（Ｉ）においてニッケルとマンガンが同量程度の場合、通常１ｍ2 ／ｇ以上、好ましくは２ｍ2 ／ｇ以上、かつ通常８．０ｍ2 ／ｇ以下、好ましくは６．０ｍ2 ／ｇ以下である。また置換金属元素としてコバルトを導入して、原子比をＹ：Ｚ：（１−Ｙ−Ｚ）＝０．６５：０．１５：０．２０とした場合、通常０．１ｍ2 ／ｇ以上、好ましくは０．２ｍ2 ／ｇ以上、かつ通常１．０ｍ2 ／ｇ以下、好ましくは０．８ｍ2 ／ｇ以下である。置換金属元素としてコバルトを導入する場合は、前述のような原子比程度であるのが好ましい。即ち数値で表すと１≦Ｙ／Ｚ≦７かつ０＜（１−Ｙ−Ｚ）≦０．３、特に２≦Ｙ／Ｚ≦５かつ０．１≦（１−Ｙ−Ｚ）≦０．２５であるのが好ましい。また、粉体充填密度は、タップ密度（２００回タップ後）で、通常は０．５ｇ／ｃｃ以上、好ましくは０．６ｇ／ｃｃ以上、さらに好ましくは０．８ｇ／ｃｃ以上である。粉体充填密度は高ければ高いほど、これを正極活物質とする電池の単位容積あたりのエネルギー密度を大きくすることができるが、現実的には３．０ｇ／ｃｃ以下であり、通常２．５ｇ／ｃｃ以下である。
【００３４】
なおリチウムニッケルマンガン複合酸化物の比表面積は、公知のＢＥＴ式粉体比表面積測定装置によって測定する。測定方式は連続流動法によるＢＥＴ１点法測定であり、使用する吸着ガス及びキャリアガスは窒素、空気、ヘリウムである。測定は粉体試料を混合ガスにより４５０℃以下の温度で加熱脱気し、次いで液体窒素により冷却して混合ガスを吸着させる。これを水により加温して吸着された窒素ガスを脱着させ、熱伝導度検出器によって検出し、脱着ピークとしてその量を求め、これから試料の比表面積を算出する。
【００３５】
本発明方法で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、リチウム二次電池の正極材料（活物質）として用いるのに好適である。すなわち、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物をバインダーと混合し、所望により更に導電材を混合したのち、溶媒を加えて均一な塗布液とし、これを集電体上に塗布して乾燥させることにより正極を形成することができる。
【００３６】
正極中には、ＬｉＦｅＰＯ4 等のように、リチウムニッケルマンガン複合酸化物以外のリチウムイオンを吸蔵・放出しうる活物質を更に含有させることもできる。
導電材としては、通常は天然黒鉛、人造黒鉛、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素材料が用いられる。正極中の導電材の割合は、通常０．０１重量％以上、好ましくは０．１重量％以上、更に好ましくは１重量％以上であり、かつ通常５０重量％以下、好ましくは４０重量％以下、更に好ましくは３０重量％以下である。導電材の割合が低すぎると導電性が不十分になることがあり、逆に高すぎると電池容量が低下する。
【００３７】
バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体）、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）、ＮＢＲ（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。正極中のバインダーの割合は、通常０．１重量％以上、好ましくは１重量％以上、更に好ましくは５重量％以上であり、かつ通常５０重量％以下、好ましくは３０重量％以下、更に好ましくは１０重量％以下である。バインダーの割合が低すぎると、活物質を十分に保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させることがあり、一方高すぎると電池容量や導電性が低下する。
【００３８】
溶媒としては、通常はＮ−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等の有機溶媒を用いるが、水を用いることもできる。また、バインダー樹脂のラテックスを用いることもできる。
【００３９】
集電体の材質としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が挙げられる。好ましくはアルミニウムである。集電体の厚さは、通常１〜１０００μｍ、好ましくは５〜５００μｍ程度である。正極は、通常集電体上に前述の塗布液を塗布、乾燥したのち、ローラープレス等の手法により圧密する。一方負極としては、天然黒鉛、熱分解炭素等の炭素材料を銅等の集電体上に塗布したもの、或いはリチウム金属箔、リチウム−アルミニウム合金等が使用できる。好ましくは炭素材料を使用する。
【００４０】
炭素材料としては通常は、黒鉛、コークス、石炭系や石油系ピッチの炭化物、或いはこれらピッチを酸化処理したものの炭化物、ニードルコークス、ピッチコークス、フェノール樹脂、結晶セルロース等の炭化物等及びこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等が用いられる。
【００４１】
また負極活物質としては、ＳｎＯ、ＳｎＯ2 、Ｓｎ1-x Ｍx Ｏ（Ｍ＝Ｈｇ、Ｐ、ＢＳｉ、Ｇｅ又はＳｂ、但し０≦ｘ＜１）、Ｓｎ3 Ｏ2 （ＯＨ）、Ｓｎ3-x Ｍx Ｏ2 （ＯＨ）2 （Ｍ＝Ｍｇ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｂ又はＭｎ、但し０≦ｘ＜３）、ＬｉＳｉＯ2 、ＳｉＯ2 又はＬｉＳｎＯ2 等を用いることもできる。
リチウム二次電池に使用する電解液は非水電解液であり、電解塩を非水系溶媒に溶解したものである。電解塩としてはＬｉＣｉＯ4 、ＬｉＡｓＦ6 、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＢＦ4 、ＬｉＢｒ、ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 等のリチウム塩が挙げられる。また、非水系溶媒としては、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等のカーボネート類、エーテル類、ケトン類、スルホラン系化合物、ラクトン類、ニトリル類、塩素化炭化水素類、エーテル類、アミン類、エステル類、アミド類、リン酸エステル化合物等が挙げられる。これら電解塩や非水系溶媒は単独で用いても良いし、２種類以上を混合して用いても良い。なお、これらの電解液の代りに、従来公知の各種の固体電解質やゲル状電解質を使用することもできる。
【００４２】
リチウム二次電池に用いられるセパレータとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリエステル、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル等の微多孔性高分子フィルター、又はガラス繊維等の不織布フィルター、或いはガラス繊維と高分子繊維の複合不織布フィルター等を挙げることができる。セパレータの化学的及び電気化学的安定性は重要な因子であり、この点からポリオレフィン系高分子が好ましく、電池セパレータの目的の１つである自己閉塞温度の点からポリエチレン製であることが望ましい。
【００４３】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に制約されるものではない。
実施例１
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＯＨ）2 及びＭｎ2 Ｏ3 をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ＝１．０５：０．５０：０．５０（原子比）となるように混合し、これに純水を加えて固形分濃度１２．５重量％のスラリーを調製した。このスラリーを攪拌しながら、循環式媒体攪拌型湿式粉砕機（シンマルエンタープライゼス社製：ダイノーミルＫＤＬ−Ａ型）を用いて、スラリー中の固形分の平均粒子径が０．３０μｍになるまで粉砕した。３００ｍｌポットを用い、粉砕時間は６時間であった。このスラリーの粘度をＢＭ型粘度計（トキメック社製）により測定したところ、初期粘度は１５１０ｍＰａ・ｓであった。
【００４４】
このスラリーを、二流体ノズル型スプレードライヤー（大川原化工機社製：Ｌ−８型スプレードライヤー）を用いて噴霧乾燥を行った。乾燥ガスとしては空気を用い、乾燥ガス導入量は４５ｍ3 ／ｍｉｎ、乾燥ガス入り口温度は９０℃とした。そして、噴霧乾燥により得られた造粒物を９００℃で１０時間空気中で焼成することにより、ほぼ仕込みの原子比組成のリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
【００４５】
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、平均二次粒子径４．９μｍ、最大粒子径１５μｍのほぼ球状の形状を有する粒子であった。
なお、スラリー中の固形分の平均粒子径、及び得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の平均粒子径・最大粒径は、レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所製：ＬＡ−９２０型粒度分布測定装置）を用いて求めた。具体的には、室温大気中で、スラリー又は焼成物粉末を０．１％ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に超音波分散及び攪拌により分散させ、透過率を７０％〜９５％の間に調節し、測定される粒度分布より平均粒径及び最大粒径を求めた。
【００４６】
また、得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。
この複合酸化物５ｇを１０ｍｌのガラス製メスシリンダーに入れ、２００回タップした後の粉体充填密度（タップ密度）を測定した結果、０．９ｇ／ｃｃであった。
【００４７】
この複合酸化物のＢＥＴ法比表面積を測定した結果、５．０ｍ2 ／ｇであった。比表面積の測定は、ＢＥＴ式粉体比表面積測定装置（大倉理研製：ＡＭＳ８０００型全自動粉体比表面積測定装置）を用いて求めた。
なお、スラリー中にＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏを含有させなかった以外は上記と全く同様にしてスラリーの調製（濃度１２．５重量％）、及び噴霧乾燥を行い、得られた造粒物にＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏの粉末（最大粒径で２０μｍ以下）をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ＝１．０５：０．５：０．５となるように加え、手でよく混合したのち９００℃で１０時間空気中で焼成しても、上記で得られたのと殆ど同一の菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得ることができる。
【００４８】
実施例２
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、ＮｉＯ、Ｍｎ2 Ｏ3 、Ｃｏ（ＯＨ）2 をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｃｏ＝１．０５：０．６５：０．１５：０．２０（原子比）となるように混合してスラリーを調製し、かつ焼成を８５０℃で１０時間空気中で行った以外は、実施例１と同様にしてリチウムマンガンニッケル複合酸化物を得た。
【００４９】
スラリーの初期粘度は２２０ｍＰａ・ｓであった。スラリー中に含まれる固形分の平均粒径は０．３μｍであった。得られた複合酸化物は、平均粒子径９．８μｍ、最大粒径３４μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。また、得られた複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。この複合酸化物５ｇを１０ｍｌのガラス製メスシリンダーに入れ、２００回タップした後の粉体充填密度（タップ密度）を測定した結果、２．０ｇ／ｃｃであった。また、この複合酸化物のＢＥＴ法比表面積を測定した結果、０．８ｍ2 ／ｇであった。
【００５０】
実施例３
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＯＨ）2 、Ｍｎ2 Ｏ3 及びＡｌＯＯＨをＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ａｌ＝１．０５：０．４５：０．４５：０．１０（原子比）となるように混合してスラリーを調製した以外は、実施例１と同様にしてリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
【００５１】
スラリーの初期粘度は７９０ｍＰａ・ｓであった。得られた複合酸化物は平均粒径５．０μｍ、最大粒径１５μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。このものは粉末Ｘ線回折により菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。２００回タップした後の粉末充填密度（タップ密度）０．９ｇ／ｃｃであり、ＢＥＴ法比表面積は５．７ｍ2 ／ｇであった。
【００５２】
実施例４
ＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、Ｎｉ（ＯＨ）2 、Ｍｎ2 Ｏ3 及びＣｏ（ＯＨ）2 をＬｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｃｏ＝１．０５：０．４５：０．４５：０．１０（原子比）となるように混合してスラリーを調製した以外は、実施例１と同様にしてリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
【００５３】
スラリーの初期粘度は８２０ｍＰａ・ｓであった。得られた複合酸化物は平均粒径５．８μｍ、最大粒径１５μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。このものは粉末Ｘ線回折により菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。２００回タップした後の粉末充填密度（タップ密度）１．０ｇ／ｃｃであり、ＢＥＴ法比表面積は３．４ｍ2 ／ｇであった。
【００５４】
実施例５
ニッケル原料としてＮｉＯを用いた以外は実施例１と同様にして、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
スラリーの初期粘度は１９０ｍＰａ・ｓであった。得られた複合酸化物は平均粒径７．１μｍ、最大粒径２０μｍであり、ほぼ球状の形状を有する粒子であった。このものは粉末Ｘ線回折により菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物の構造を有していることが確認された。２００回タップした後の粉末充填密度（タップ密度）は１．１ｇ／ｃｃであり、ＢＥＴ法比表面積は２．８ｍ2 ／ｇであった。
【００５５】
比較例１
最大粒径２０μｍ以下のＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、平均粒径０．５５μｍのＮｉＯ及び平均粒径４．４μｍのＭｎ2 Ｏ3 を、Ｌｉ：Ｎｉ：Ｍｎ＝１．０５：０．５：０．５（原子比）となるように混合し、これを適当な容器に入れて手でよく振動させて混合した後、９００℃で１０時間空気中で焼成した。
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物単一相ではないことが確認された。
【００５６】
比較例２
比較例１で用いたのと同じＬｉＯＨ・Ｈ2 Ｏ、ＮｉＯ及びＭｎ2 Ｏ3 並びに平均粒径７．９μｍのＣｏ（ＯＨ）2 を、Ｌｉ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｃｏ＝１．０５：０．６５：０．１５：０．２０（原子比）となるように混合し、これを適当な容器に入れて手でよく振動させて混合した後、８５０℃で１０時間空気中で焼成した。
【００５７】
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粉末Ｘ線回折を測定したところ、菱面体晶の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物単一相ではないことが確認された。
電池評価試験（１）
以下の方法で、本発明の実施例及び比較例で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物の正極活物質としての評価を行った。
【００５８】
Ａ．正極の作製
実施例及び比較例で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を７５重量部、アセチレンブラック２０重量部、及びポリテトラフルオロエチレンパウダー５重量部を乳鉢で十分混合し、薄くシート状にしたものを９ｍｍφのポンチを用いて打ち抜いた。得られたものの重量は約８ｍｇであった。これをアルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して正極とした。
【００５９】
Ｂ．リチウム金属を対極とする電池の作製と特性試験
コイン型セルに９ｍｍφに打ち抜いた正極を入れ、その上に厚さ２５μｍの多孔性ポリエチレンフィルム（セパレータ）を置き、更にその上にリチウム金属（負極）をのせた。これに非水電解液（エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの３：７（容量比）混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）を１モル／Ｌとなるように溶解したもの）を加え、更に厚み調整用のスペーサをのせたのち、ポリプロピレン製ガスケットを介して蓋をかしめて電池とした。
【００６０】
この電池について、０．２ｍＡ／ｃｍ2 で４．２Ｖ又は４．３Ｖまで定電流充電を行い、次いで３．０Ｖまで０．２ｍＡ／ｃｍ2 で定電流放電を行った。このときの放電容量Ｑｓ（ｍＡｈｒ／ｇ）と充電容量Ｑｃ（ｍＡｈｒ／ｇ） に対する放電容量の比（Ｅ％）とを表１に示す。また、この充放電に引続いて、４．３Ｖ−３．０Ｖの定電流充放電を、充電は毎回０．２ｍＡ／ｃｍ2 一定で行い、放電を０．５ｍＡ／ｃｍ2 、１ｍＡ／ｃｍ2 、３ｍＡ／ｃｍ2 、５ｍＡ／ｃｍ2 、７ｍＡ／ｃｍ2 、９ｍＡ／ｃｍ2 及び１１ｍＡ／ｃｍ2 と１回毎に順次電流値を高めて行った。最後の１１ｍＡ／ｃｍ2 で定電流放電したときの放電容量Ｑａ（ｍＡｈｒ／ｇ）を表１に示す。
【００６１】
電池評価試験（２）
Ａ．正極の作製
電池評価試験（１）におけると同様にして作製した。ただしポンチは１２ｍφのものを用いた。得られたものの重量は約１８ｍｇであった。
Ｂ．負極の作製
粒径約８〜１０μｍの黒鉛粉末（ｄ002＝３．３５Ａ）９２．５重量部と、ポリフッ化ビニリデン７．５重量部とを混合し、これにＮ−メチルピロリドンを加えてスラリーとした。厚さ２０μｍの銅箔の片面にこのスラリーを塗布し、乾燥させた。これを１２ｍｍφのポンチで打ち抜き、更に０．５ｔｏｎ／ｃｍ2 でプレス処理して負極とした。
【００６２】
Ｃ．電池の作製
電池評価試験（１）におけると同様にして電池を作製した。なお、正極活物質の重量と負極活物質との重量比は、電池評価試験（１）で測定した正極の充電容量Ｑｓ（ｍＡｈｒ／ｇ）に対して負極の充電容量が１．２倍となるようにした。負極の充電容量は、この負極と対極としてのリチウム金属とで電池評価試験（１）におけると同様にして電池を作製し、０Ｖまで０．２ｍＡ／ｃｍ2 で定電流放電を行った際の、負極活物質単位重量当たりの初期充電容量に基づいて算出した。
【００６３】
Ｄ．サイクル試験
室温下、０．２Ｃ（１Ｃは１時間電流値であり、１Ｃ（ｍＡ）＝Ｑｓｘ正極活物質重量で算出される）の定電流で、２サイクルの充放電を行い、次いで１Ｃの定電流で１サイクルの充放電を行った。引続いて５０℃の下で０．２Ｃの定電流で１サイクルの充放電を行い、次いで１Ｃの定電流で１００サイクルの充放電を行った。充放電の下限は３．０Ｖ、上限は４．１Ｖ又は４．２Ｖとした。５０℃、１Ｃの定電流での１００サイクルの充放電の１サイクル目の放電容量に対する１００サイクル目の放電容量の比をＰ（％）として表１に示す。
【００６４】
【表１】
Claims (10)
- ニッケル源、マンガン源及びリチウム源を含む混合物を焼成して下記式（Ｉ）で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造する方法において、ニッケル源、マンガン源及びリチウム源を含有するスラリーであって固形物の平均粒子径が０．５μｍ以下のものを噴霧乾燥し、噴霧乾燥して得たものを焼成することを特徴とする方法。
- ニッケル源、マンガン源及びリチウム源を含む混合物を焼成して下記式（Ｉ）で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造する方法において、ニッケル源及びマンガン源を含有するスラリーであって固形物の平均粒子径が０．５μｍ以下のものを噴霧乾燥し、噴霧乾燥して得たものにリチウム源を混合して焼成することを特徴とする方法。
- 噴霧乾燥して得たものをその形状を保持したまま焼成に供することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
- スラリーが湿式粉砕処理を経ているものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
- スラリーのＮｉ／Ｍｎの原子比が０．７≦Ｎｉ／Ｍｎ≦９であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
- スラリーの調製に用いるニッケル源が、Ｎｉ（ＯＨ）2 、ＮｉＯ、ＮｉＯＯＨ、ＮｉＣＯ3 ・２Ｎｉ（ＯＨ）2 ・４Ｈ2Ｏ、Ｎｉ（ＮＯ3）2・６Ｈ2Ｏ、ＮｉＳＯ4・６Ｈ2Ｏ、有機ニッケル化合物及びニッケルハロゲン化物より成る群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
- スラリーの調製に用いるマンガン源が、Ｍｎ3Ｏ4、Ｍｎ2Ｏ3、ＭｎＯ2 、ＭｎＯＯＨ、ＭｎＣＯ3 、Ｍｎ（ＮＯ3）2、ＭｎＳＯ4、有機マンガン化合物、マンガン水酸化物及びマンガンハロゲン化物より成る群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
- リチウム源が、ＬｉＣＯ3、ＬｉＮＯ3 、ＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏ及び酢酸Ｌｉより成る群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
- スラリーが、アルミニウム源、コバルト源、鉄源、マグネシウム源及びカルシウム源より成る群から選ばれたものも含有していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
- 請求項１から９に記載の方法で製造されたリチウムニッケルマンガン複合酸化物をバインダーと混合し、溶媒を加えて塗布液とし、これを集電体上に塗布して乾燥させることを特徴とする正極の製造方法。
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