JP4543156B2 - Lithium ferrite composite oxide and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、次世代低コストリチウムイオン二次電池の正極材料として有用なリチウムフェライト系複合酸化物およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium ferrite composite oxide useful as a positive electrode material for a next-generation low-cost lithium ion secondary battery and a method for producing the same.

現在、我が国において、携帯電話、ノートパソコンなどのポータブル機器に搭載されている二次電池のほとんどは、リチウムイオン二次電池である。また、リチウムイオン二次電池は、今後、電気自動車、電力負荷平準化システムなどの大型電池としても実用化されるものと予想されており、その重要性はますます高まっている。   Currently, most of the secondary batteries installed in portable devices such as mobile phones and notebook computers in Japan are lithium ion secondary batteries. In addition, lithium ion secondary batteries are expected to be put into practical use as large batteries for electric vehicles and power load leveling systems in the future, and their importance is increasing.

現在、リチウムイオン二次電池においては、正極材料としては主にリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)材料が使用され、負極材料としては黒鉛などの炭素材料が使用されている。 Currently, in lithium ion secondary batteries, a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) material is mainly used as a positive electrode material, and a carbon material such as graphite is used as a negative electrode material.

この様なリチウムイオン二次電池では、正極材料において可逆的に脱離(充電に相当)、挿入(放電に相当)するリチウムイオン量が電池の容量を決定づけ、脱離・挿入時の電圧が電池の作動電圧を決定づけるために、正極材料であるLiCoO2は、電池性能に関連する重要な電池構成材料である。このため、今後のリチウムイオン二次電池の用途拡大・大型化に伴い、リチウムコバルト酸化物は、一層の需要増加が予想されている。 In such a lithium ion secondary battery, the amount of lithium ions reversibly desorbed (equivalent to charging) and inserted (equivalent to discharging) in the positive electrode material determines the capacity of the battery, and the voltage at the time of desorption / insertion is the battery. LiCoO 2 as a positive electrode material is an important battery constituent material related to battery performance. For this reason, the demand for lithium cobalt oxide is expected to increase further with the future expansion and enlargement of lithium ion secondary batteries.

しかしながら、リチウムコバルト酸化物は、希少金属であるコバルトを多量に含むために、リチウムイオン二次電池の素材コスト高の要因の一つとなっている。さらに、現在コバルト資源の約20%が電池産業に用いられていることを考慮すれば、LiCoO2からなる正極材料のみでは今後の需要拡大に対応することは困難と考えられる。 However, since lithium cobalt oxide contains a large amount of rare metal cobalt, it is one of the causes of high material costs of lithium ion secondary batteries. Furthermore, considering that about 20% of cobalt resources are currently used in the battery industry, it is considered difficult to meet future demand growth with only the cathode material made of LiCoO 2 .

現在、より安価で資源的に制約の少ない正極材料として、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)等が報告されており、一部代替材料として実用
化されている。しかしながらリチウムニッケル酸化物には充電時に電池の安全性を低下させるという問題があり、リチウムマンガン酸化物には高温(約60℃)充放電時に3価のマン
ガンが電解液中に溶出し、それが電池性能を著しく劣化させるという問題があり、これらの材料への代替はあまり進んでいない。
Currently, lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) and lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) have been reported as cheaper and less resource-constrained positive electrode materials, and some have been put into practical use as alternative materials. Yes. However, lithium nickel oxide has the problem of reducing the safety of the battery during charging, and lithium manganese oxide elutes trivalent manganese into the electrolyte during charge and discharge at high temperatures (about 60 ° C). There is a problem that the battery performance is significantly deteriorated, and the substitution to these materials is not so advanced.

また、マンガンおよびニッケルに比べて、資源的により一層豊富であり、毒性が低く、安価な鉄を含むリチウムフェライト(LiFeO2)について、電極材料としての可能性が検討されている。しかしながら、通常の製造法、すなわち鉄源とリチウム源とを混合し高温焼成することによって得られるリチウムフェライトは、ほとんど充放電しないので、リチウムイオン二次電池正極材料として用いることはできない。 Further, lithium ferrite (LiFeO 2 ) containing iron, which is more abundant in resources, less toxic, and cheaper than manganese and nickel, has been studied as a potential electrode material. However, since lithium ferrite obtained by a normal manufacturing method, that is, by mixing an iron source and a lithium source and firing at high temperature, hardly charges or discharges, it cannot be used as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery.

一方、イオン交換法により得られるLiFeO2が充放電可能であることが報告されているが(下記特許文献1および2参照)、これらの材料の平均放電電圧は2.5V以下でありLiCoO2の値(約3.7V)に比べて著しく低いため、LiCoO2の代替とすることは困難である。 On the other hand, LiFeO 2 obtained by the ion exchange method has been reported to be chargeable / dischargeable (see Patent Documents 1 and 2 below), but the average discharge voltage of these materials is 2.5 V or less and the value of LiCoO 2 Since it is significantly lower than (approximately 3.7V), it is difficult to replace LiCoO 2 .

本発明者らは、すでに、鉄に次いで安価かつ資源的に豊富なリチウムマンガン酸化物(Li2MnO3)とリチウムフェライトとからなる層状岩塩型構造の固溶体(Li1+x(Fe0.5Mn0.5)1-xO2以下鉄含有Li2MnO3)が、室温での充放電試験においてはリチウムコバルト酸化物並の4V近い平均放電電圧を有することを見出している(下記特許文献3および4参照)。 The present inventors have already described a layered rock salt type solid solution (Li 1 + x (Fe 0.5 Mn 0.5 ) composed of lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) and lithium ferrite, which are inexpensive and resource-rich after iron. ) 1-x O 2 or less iron-containing Li 2 MnO 3 ) has been found to have an average discharge voltage close to 4 V, comparable to lithium cobalt oxide, in charge and discharge tests at room temperature (see Patent Documents 3 and 4 below) ).

更に、本発明者らは、特定の条件を満足するリチウム−鉄−マンガン複合酸化物が、高
温サイクル試験時にLiMn2O4より高容量(150mAh/g)かつ安定した充放電サイクル特性を示
すことを見出し、既に特許出願を行っている(特願2004-246085号)。
Furthermore, the present inventors show that a lithium-iron-manganese composite oxide satisfying specific conditions exhibits a higher capacity (150 mAh / g) and stable charge / discharge cycle characteristics than LiMn 2 O 4 during a high-temperature cycle test. Have already filed a patent application (Japanese Patent Application No. 2004-246085).

以上の通り、リチウムコバルト系正極材料に代わり得るリチウムフェライト系正極材料について種々の報告がなされているが、より一層の充放電特性改善のためには、更に、優れた性能の正極材料を見出すために、正極材料の化学組成や製造条件についての最適化が望まれている。
特開平10-120421号公報 特開平8-295518号公報 特開2002-68748号公報 特開2002-121026号公報
As described above, various reports have been made on lithium ferrite-based positive electrode materials that can replace lithium-cobalt-based positive electrode materials, but in order to further improve the charge / discharge characteristics, in order to find positive electrode materials with superior performance. In addition, optimization of the chemical composition and manufacturing conditions of the positive electrode material is desired.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-120421 JP-A-8-295518 JP 2002-68748 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-121026

本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、長期間の充放電サイクルにおいて3V以上の平均放電電圧を保持でき、且つリチウムコバルト酸化物系正極材料と同等若しくはそれ以上の放電容量を有することのできる材料であって、資源的な制約が少なく且つ安価な原料を使用して得ることができ、更に、公知の低価格の正極材料と比較して、より優れた充放電特性を発揮できる新規な材料を提供することである。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main object is to maintain an average discharge voltage of 3 V or more in a long-term charge / discharge cycle, and a lithium cobalt oxide positive electrode material. The material can have a discharge capacity equivalent to or higher than that, can be obtained by using an inexpensive raw material with less resource restrictions, and compared with a known low-cost positive electrode material. An object of the present invention is to provide a novel material that can exhibit better charge / discharge characteristics.

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、鉄含有Li2MnO3中にさらに特定量のAlを固溶させた新規な鉄-アルミニウム-マンガン系酸化物固溶体
をリチウムイオン二次電池用正極材料として用いる場合に、リチウム−鉄−マンガン複合酸化物よりも更に優れた充放電特性が発揮されることを見出し、本発明を完成するに至った。
The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, when a novel iron-aluminum-manganese oxide solid solution in which a specific amount of Al is further dissolved in iron-containing Li 2 MnO 3 is used as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, lithium-iron- It has been found that charge / discharge characteristics superior to those of the manganese composite oxide are exhibited, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は、下記のリチウムフェライト系複合酸化物、その製造方法、リチウムフェライト系複合酸化物からなるリチウムイオン二次電池正極材料及びリチウムイオン二次電池を提供するものである。
1. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物。
2. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2において、nが0.06〜0.3である上記
項1に記載のリチウムフェライト系複合酸化物。
3. マンガン化合物及び鉄化合物を含む混合水溶液をアルカリ性として沈殿物を形成し、得られた沈殿物を酸化剤および水溶性リチウム化合物と共にアルカリ性条件下で水熱処理し、次いで、水熱処理後の生成物をアルミニウム化合物およびリチウム化合物の存在下で焼成することを特徴とする、
組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物の製造方法。
4. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物からな
るリチウムイオン二次電池正極材料
5. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物からな
るリチウムイオン二次電池正極材料を構成要素とするリチウムイオン二次電池。
That is, the present invention provides the following lithium ferrite composite oxide, a manufacturing method thereof, a lithium ion secondary battery positive electrode material and a lithium ion secondary battery comprising the lithium ferrite composite oxide.
1. Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 ) And a lithium ferrite composite oxide having a layered rock salt structure.
2. 2. The lithium ferrite composite oxide according to item 1, wherein n is 0.06 to 0.3 in the composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 .
3. A mixed aqueous solution containing a manganese compound and an iron compound is made alkaline to form a precipitate. The obtained precipitate is hydrothermally treated with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions, and then the hydrothermally treated product is converted to aluminum. Calcination in the presence of a compound and a lithium compound,
Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 ) And a method for producing a lithium ferrite composite oxide having a layered rock salt structure.
4). Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 4. Lithium ion secondary battery positive electrode material made of a lithium ferrite composite oxide having a layered rock salt structure. Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 ) And a lithium ion secondary battery comprising a lithium ion secondary battery positive electrode material made of a lithium ferrite composite oxide having a layered rock salt structure.

本発明のリチウムフェライト系複合酸化物は、組成式Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (但
し、0<x<1/3、0.01≦m≦0.5、0.05≦n≦0.75、0.06≦m+n<1) で表される新規な化合物
であり、その結晶構造は、公知物質であるLiCoO2に類似する層状岩塩型構造である。
The lithium ferrite composite oxide of the present invention has a composition formula Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (where 0 <x <1/3, 0.01 ≦ m ≦ 0.5, 0.05 ≦ n ≦ 0.75, 0.06 ≦ m + n <1). The crystal structure is a layered rock salt structure similar to LiCoO 2 which is a known substance.

図1は、本発明のリチウムフェライト系複合酸化物の構造を模式的に表す図面である。図1の左側には、LiCoO2について、結晶の各層に含まれる元素を示し、図1の右側には、本発明の複合酸化物について、結晶の各層に含まれる元素を示している。 FIG. 1 is a drawing schematically showing the structure of the lithium ferrite composite oxide of the present invention. The left side of FIG. 1 shows the elements contained in each layer of the crystal for LiCoO 2 , and the right side of FIG. 1 shows the elements contained in each layer of the crystal for the composite oxide of the present invention.

図1から判るように、LiCoO2は、立方最密充填した酸化物イオンの8面体格子間位置にa軸方向に沿って2次元的にCoイオンとLiイオンとがそれぞれ配列し、c軸方向に交互に積層した結晶構造を有するものである。一方、本発明のリチウムフェライト系酸化物の結晶構造は、Liイオン、Feイオン、Alイオン、Mnイオンが、LiCoO2のCo層に存在していることと、Li層内にFeイオンが部分的に置換していることが特徴である。 As can be seen from FIG. 1, in LiCoO 2 , Co ions and Li ions are two-dimensionally arranged along the a-axis direction at the positions between the octahedral lattices of the cubically packed oxide ions in the c-axis direction. It has a crystal structure laminated alternately. On the other hand, the crystal structure of the lithium ferrite oxide of the present invention is that Li ions, Fe ions, Al ions, and Mn ions are present in the Co layer of LiCoO 2 and that Fe ions are partially in the Li layer. The feature is that it is replaced with.

LiCoO2のCo層内がすべてFeイオンにより置換されたものが、層状岩塩型LiFeO2であるが、この材料はほとんど充放電容量を有しないことが知られている(K.Ado, M.Tabuchi, H.Kobayashi, H.Kageyama, O.Nakamura, Y.Inaba, R.Kanno, M.Takagi and Y.Takeda, J. Electochem. Soc., 144, [7], L177, (1997))。 Layered rock salt type LiFeO 2 in which the Co layer of LiCoO 2 is entirely replaced by Fe ions is known to have almost no charge / discharge capacity (K. Ado, M. Tabuchi , H. Kobayashi, H. Kageyama, O. Nakamura, Y. Inaba, R. Kanno, M. Takagi and Y. Takeda, J. Electochem. Soc., 144, [7], L177, (1997)).

これに対して、上記した通り、本発明のリチウムフェライト系複合酸化物では、Feイオンは、Co層内でLiイオン、AlイオンおよびMnイオンの共存により希釈されている。十分な放電容量を有する複合酸化物を得るためには、この様な鉄イオンの希釈が重要な要件となる。尚、Li層内にもFeイオンがしばしば混在するが、これはリチウムフェライトが立方晶岩塩構造(図1で全金属元素を同一イオンと仮定したときに対応する構造)をとりやすい
ため起こるものであり、このFeイオンは充放電に寄与しない。
In contrast, as described above, in the lithium ferrite composite oxide of the present invention, Fe ions are diluted in the Co layer due to the coexistence of Li ions, Al ions, and Mn ions. In order to obtain a complex oxide having a sufficient discharge capacity, such dilution of iron ions is an important requirement. In addition, Fe ions are often mixed in the Li layer, but this occurs because lithium ferrite tends to have a cubic rock salt structure (a structure corresponding to the assumption that all metal elements are the same ion in FIG. 1). Yes, these Fe ions do not contribute to charging and discharging.

本発明の複合酸化物では、特に、特定量のAlイオンが含まれていることが重要である。Alイオンが存在しないリチウム−鉄−マンガン複合酸化物では、該複合酸化物を製造する際に高温で焼成すると、スピネルフェライト(LiFe5O8あるいはMnFe2O4などの逆スピネル型構造を有する化合物)が形成される傾向がある。このスピネルフェライトは、3-4V領域ではほとんど充放電しなために、充放電性能の低下の原因となることがあるが、Alが存在すると、スピネルフェライトの生成が著しく抑制され、充放電に寄与する成分が増加して、リチウム−鉄−マンガン複合酸化物と比較して、より一層充放電特性が向上するものと思われる。 In the composite oxide of the present invention, it is particularly important that a specific amount of Al ions is contained. In lithium-iron-manganese composite oxides in which no Al ions are present, spinel ferrite (compounds having an inverted spinel structure such as LiFe 5 O 8 or MnFe 2 O 4) is fired at a high temperature when the composite oxide is produced. ) Tend to be formed. Since this spinel ferrite is hardly charged / discharged in the 3-4V region, it may cause a decrease in charge / discharge performance. However, when Al is present, the formation of spinel ferrite is remarkably suppressed, contributing to charge / discharge. It is considered that the charge / discharge characteristics are further improved as compared with the lithium-iron-manganese composite oxide.

本発明のリチウムフェライト系複合酸化物では、固溶させるFeイオン量(m値:Fe/(Fe+Mn+Al)は、Liイオン以外の金属イオン量の5〜75モル%(0.05≦Fe/(Fe+Mn+Al) ≦0.75)程度
であり、好ましくは20〜60モル%(0.2≦Fe/(Fe+Mn+Al) ≦0.6)程度である。Feイオンの固
溶量が過剰となる場合には、Feイオンの希釈が不十分となるばかりでなく、充放電に関与しないLi層内のFeイオンが多くなるので、電池特性上好ましくない。一方、Feイオンの固溶量が少なすぎる場合には、充放電容量が小さくなるため、やはり好ましくない。
In the lithium ferrite composite oxide of the present invention, the amount of Fe ions to be dissolved (m value: Fe / (Fe + Mn + Al)) is 5 to 75 mol% (0.05 ≦ Fe / (Fe + Mn + Al) ≦ 0.75), preferably about 20 to 60 mol% (0.2 ≦ Fe / (Fe + Mn + Al) ≦ 0.6). In this case, not only is the Fe ion diluted insufficiently, but the Fe ions in the Li layer that are not involved in charge / discharge increase, which is not preferable in terms of battery characteristics. In some cases, the charge / discharge capacity is small, which is not preferable.

本発明リチウムフェライト系複合酸化物に固溶させるAlイオンも、基本的にFeイオンと同様にMnイオンを置換する形で層状岩塩型構造中に存在していると思われる。Alイオンは、3価状態で存在しており、複合酸化物の粒子の微細化や前述したようなスピネルフェラ
イト生成の抑制に寄与していものと思われる。本発明複合酸化物に固溶させるAlイオン量(n値:Al /(Fe+Mn+Al)は、Liイオン以外の金属イオン量の1〜50モル%(0.01≦Al /(Fe+Mn+Al)≦0.5)程度であり、好ましくは6〜30モル%(0.06≦Al /(Fe+Mn+Al)≦0.3)程度である。充放電に関与しないAlを多量に使用する場合には、充放電容量の低下やLiAlO2等の不純物生成を招くので好ましくない。一方、Alイオンの固溶量が少なすぎる場合には、スピネルフェライト生成抑制効果や粒子微細化などの効果が十分に発揮されないのでやはり好ましくない。
Al ions to be dissolved in the lithium ferrite composite oxide of the present invention are considered to be present in the layered rock salt structure in the form of replacing Mn ions in the same manner as Fe ions. Al ions are present in a trivalent state, and are thought to contribute to the refinement of composite oxide particles and the suppression of the formation of spinel ferrite as described above. The amount of Al ions dissolved in the composite oxide of the present invention (n value: Al / (Fe + Mn + Al)) is 1 to 50 mol% (0.01 ≦ Al / (Fe + Mn +) of the amount of metal ions other than Li ions. Al) ≦ 0.5), preferably about 6 to 30 mol% (0.06 ≦ Al / (Fe + Mn + Al) ≦ 0.3) When using a large amount of Al not involved in charge / discharge, This is not preferable because it causes a decrease in charge / discharge capacity and generation of impurities such as LiAlO 2. On the other hand, if the amount of Al ion solid solution is too small, effects such as spinel ferrite formation suppression effect and particle refinement are not sufficiently exhibited. So it is not preferable.

本発明リチウムフェライト系複合酸化物に固溶させるFeイオンとAlイオンの合計量は、前記組成式において0.06≦m+n<1程度の範囲内であり、好ましくは0.25≦m+n≦0.8程度の範囲内である。   The total amount of Fe ions and Al ions to be dissolved in the lithium ferrite composite oxide of the present invention is in the range of about 0.06 ≦ m + n <1 in the composition formula, preferably about 0.25 ≦ m + n ≦ 0.8. Is within the range.

また、本発明リチウムフェライト系複合酸化物において、層状岩塩型の結晶構造を保つことができる限り、Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2のxは、遷移金属イオンの平均価数によって0と1/3の間の値をとることができる。好ましくは0.05〜0.30の範囲である。 In the lithium ferrite composite oxide of the present invention, as long as the layered rock salt type crystal structure can be maintained, x of Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 is a transition metal. A value between 0 and 1/3 can be taken depending on the average valence of ions. Preferably it is the range of 0.05-0.30.

さらに、本発明複合酸化物は、充放電特性に重大な影響を及ぼさない範囲(最大10モル%程度)の水酸化リチウム、炭酸リチウム、アルミニウム化合物(それらの水和物も含む)な
どの不純物相を含んでいても良い。
Furthermore, the composite oxide of the present invention is an impurity phase such as lithium hydroxide, lithium carbonate, aluminum compound (including hydrates thereof) in a range that does not significantly affect the charge / discharge characteristics (up to about 10 mol%). May be included.

本発明の複合酸化物は、通常の複合酸化物合成法である水熱反応法、固相反応法などにより製造することが可能である。特に、優れた充放電性能を有する複合酸化物を容易に形成可能である点から、水熱反応を利用した製造方法が好ましい。   The composite oxide of the present invention can be produced by a conventional composite oxide synthesis method such as a hydrothermal reaction method or a solid phase reaction method. In particular, a production method using a hydrothermal reaction is preferable because a composite oxide having excellent charge / discharge performance can be easily formed.

水熱反応を使用した製造方法では、まず、鉄イオンとマンガンイオンの生成源となる金属化合物を水、水/アルコール混合物などに溶解させた混合溶液をアルカリ性として沈殿
物を形成する。次いで、これに酸化剤と水溶性リチウム化合物を添加してアルカリ性条件下で水熱処理を行うことによってリチウム-マンガン-鉄前駆体を形成する。次いで、得られた前駆体に水溶性アルミニウム化合物及びリチウム化合物を添加して焼成することによって、目的とするリチウムフェライト系複合酸化物を得ることができる。以下、この製造方法について、具体的に説明する。
In the production method using a hydrothermal reaction, first, a precipitate is formed by making a mixed solution obtained by dissolving a metal compound that is a source of generation of iron ions and manganese ions in water, a water / alcohol mixture or the like, alkaline. Next, an oxidant and a water-soluble lithium compound are added thereto, and hydrothermal treatment is performed under alkaline conditions to form a lithium-manganese-iron precursor. Next, a target lithium ferrite composite oxide can be obtained by adding a water-soluble aluminum compound and a lithium compound to the obtained precursor and baking it. Hereinafter, this manufacturing method will be specifically described.

鉄化合物とマンガン化合物としては、これらの化合物を含む混合水溶液を形成できる成分であれば特に限定なく使用できる。通常、水溶性の化合物を用いればよい。この様な水溶性化合物の具体例としては、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩などの水溶性塩、水酸化物などを挙げることができる。これらの水溶性化合物は、無水物および水和物のいずれであってもよい。また、酸化物などの非水溶性化合物であっても、例えば、塩酸などの酸を用いて溶解させて水溶液として用いることが可能である。これらの各原料化合物は、各金属源について、それぞれ単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。   As an iron compound and a manganese compound, if it is a component which can form the mixed aqueous solution containing these compounds, it can use without limitation. Usually, a water-soluble compound may be used. Specific examples of such water-soluble compounds include water-soluble salts such as chlorides, nitrates, sulfates, oxalates and acetates, hydroxides and the like. These water-soluble compounds may be either anhydrides or hydrates. Further, even a water-insoluble compound such as an oxide can be used as an aqueous solution after being dissolved using an acid such as hydrochloric acid. Each of these raw material compounds may be used alone or in combination of two or more for each metal source.

該混合水溶液における鉄化合物とマンガン化合物の混合割合は、目的とする複合酸化物における各元素比と同様の元素比となるようにすればよい。   What is necessary is just to make it the mixing ratio of the iron compound and manganese compound in this mixed aqueous solution become the element ratio similar to each element ratio in the target complex oxide.

混合水溶液中の各化合物の濃度については、特に限定的ではなく、均一な混合水溶液を形成でき、且つ円滑に共沈物を形成できるように適宜決めればよい。通常、鉄化合物とマンガン化合物の合計濃度を、0.01〜5mol/l程度、好ましくは0.1〜2mol/l程度とすればよ
い。
The concentration of each compound in the mixed aqueous solution is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that a uniform mixed aqueous solution can be formed and a coprecipitate can be smoothly formed. Usually, the total concentration of the iron compound and the manganese compound may be about 0.01 to 5 mol / l, preferably about 0.1 to 2 mol / l.

該混合水溶液の溶媒としては、水を単独で用いる他、メタノール、エタノールなどの水溶性アルコールを含む水―アルコール混合溶媒を用いても良い。水―アルコール混合溶媒を用いることにより、0℃を下回る温度での沈殿生成が可能となる。アルコールの使用量は、目的とする沈殿生成温度などに応じて適宜決めればよいが、通常、水100重量部に対して、50重量部程度以下の使用量とすることが適当である。   As a solvent for the mixed aqueous solution, water may be used alone, or a water-alcohol mixed solvent containing a water-soluble alcohol such as methanol or ethanol may be used. By using a water-alcohol mixed solvent, a precipitate can be formed at a temperature lower than 0 ° C. The amount of alcohol used may be appropriately determined according to the target precipitation temperature, but it is usually appropriate to use about 50 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of water.

該混合水溶液から沈殿物(共沈物)を生成させるには、該混合水溶液をアルカリ性とすればよい。良好な沈殿物を形成する条件は、混合水溶液に含まれる各化合物の種類、濃度
などによって異なるので一概に規定出来ないが、通常、pH8程度以上とすることが好ましく、pH11程度以上とすることがより好ましい。
In order to generate a precipitate (coprecipitate) from the mixed aqueous solution, the mixed aqueous solution may be made alkaline. Conditions for forming a good precipitate vary depending on the type and concentration of each compound contained in the mixed aqueous solution, and thus cannot be defined unconditionally. However, it is usually preferable to set the pH to about 8 or more, and to about pH 11 or more. More preferred.

該混合水溶液をアルカリ性にする方法については、特に限定はなく、通常は、該混合水溶液にアルカリ又はアルカリを含む水溶液を添加すればよい。また、アルカリを含む水溶液に該混合水溶液を添加する方法によっても共沈物を形成することができる。   The method for making the mixed aqueous solution alkaline is not particularly limited, and usually an alkali or an aqueous solution containing an alkali may be added to the mixed aqueous solution. Moreover, a coprecipitate can be formed also by the method of adding this mixed aqueous solution to the aqueous solution containing an alkali.

該混合水溶液をアルカリ性にするために用いるアルカリとしては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物、アンモニアなどを用いることができる。これらのアルカリを水溶液として用いる場合には、例えば、0.1
〜20mol/l程度、好ましくは0.3〜10mol/l程度の濃度の水溶液として用いることができる
。また、アルカリは、上記した金属化合物の混合水溶液と同様に、水溶性アルコールを含む水―アルコール混合溶媒に溶解しても良い。
Examples of the alkali used to make the mixed aqueous solution alkaline include alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, and lithium hydroxide, ammonia, and the like. When these alkalis are used as an aqueous solution, for example, 0.1
It can be used as an aqueous solution having a concentration of about ˜20 mol / l, preferably about 0.3 to 10 mol / l. Further, the alkali may be dissolved in a water-alcohol mixed solvent containing a water-soluble alcohol, similarly to the mixed aqueous solution of the metal compound described above.

沈殿生成の際には、混合水溶液の温度を-50℃から+15℃程度、好ましくは-40℃から+10℃程度にすることにより、反応時の中和熱発生に伴うスピネルフェライトの生成が抑制され均質な共沈物が形成されやすくなる。   During precipitation, the temperature of the mixed aqueous solution is set to about -50 ° C to + 15 ° C, preferably about -40 ° C to + 10 ° C, so that spinel ferrite is generated due to the generation of heat of neutralization during the reaction. It is suppressed and a homogeneous coprecipitate is easily formed.

該混合水溶液をアルカリ性とした後、更に、0〜150℃程度(好ましくは10〜100℃程度
)で、1〜7日間程度(好ましくは2〜4日間程度)にわたり、反応溶液に空気を吹き込みながら、沈殿物の酸化・熟成処理を行うことが好ましい。
After making the mixed aqueous solution alkaline, the reaction solution is further blown with air at about 0 to 150 ° C. (preferably about 10 to 100 ° C.) for about 1 to 7 days (preferably about 2 to 4 days). In addition, it is preferable to oxidize and age the precipitate.

得られた沈殿を蒸留水等で洗浄して、過剰のアルカリ成分、残留原料等を除去し、濾別することによって、沈殿を精製することができる。   The precipitate can be purified by washing the resulting precipitate with distilled water or the like to remove excess alkali components, residual raw materials, and the like, followed by filtration.

次いで、上記した方法で得られた沈殿物を、酸化剤および水溶性リチウム化合物とともにアルカリ性条件下で水熱処理に供する。水熱処理は、該沈殿物、酸化剤及び水溶性リチウム化合物を含む水溶液をアルカリ性条件下で加熱することによって行うことができる。加熱は、通常、密閉容器中で行えばよい。   Next, the precipitate obtained by the above method is subjected to hydrothermal treatment under alkaline conditions together with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound. Hydrothermal treatment can be performed by heating an aqueous solution containing the precipitate, the oxidizing agent, and the water-soluble lithium compound under alkaline conditions. Heating is usually performed in a sealed container.

水熱反応に用いる水溶液では、鉄及びマンガンを含む沈殿物の含有量は、水1リットル
あたり1〜100g程度とすることが好ましく、10〜80g程度とすることがより好ましい。
In the aqueous solution used for the hydrothermal reaction, the content of the precipitate containing iron and manganese is preferably about 1 to 100 g, more preferably about 10 to 80 g per liter of water.

水溶性リチウム化合物としては、例えば、塩化リチウム、硝酸リチウム等の水溶性リチウム塩、水酸化リチウム等を用いることができる。これらの水溶性リチウム化合物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができ、無水物および水和物の何れを用いても良い。   As the water-soluble lithium compound, for example, a water-soluble lithium salt such as lithium chloride or lithium nitrate, lithium hydroxide, or the like can be used. These water-soluble lithium compounds can be used singly or in combination of two or more, and any of anhydrides and hydrates may be used.

水溶性リチウム化合物の使用量は、沈殿生成物中のFe及びMnの合計モル数に対するリチウム元素モル比として、Li/(Fe+Mn)=1〜10程度とすることが好ましく、3〜7程度とすることがより好ましい。   The amount of the water-soluble lithium compound used is preferably about Li / (Fe + Mn) = 1 to 10 as the molar ratio of lithium element to the total number of moles of Fe and Mn in the precipitation product, and about 3 to 7 More preferably.

水溶性リチウム化合物の濃度は、0.1〜10mol/l程度とすることが好ましく、1〜8mol/l
程度とすることがより好ましい。
The concentration of the water-soluble lithium compound is preferably about 0.1 to 10 mol / l, 1 to 8 mol / l
More preferably, it is about.

酸化剤としては、水熱反応時に分解して酸素発生するものであれば、特に限定無く使用でき、具体例として、塩素酸カリウム、塩素酸リチウム、塩素酸ナトリウム、過酸化水素水等を挙げることができる。   The oxidizing agent can be used without particular limitation as long as it decomposes during the hydrothermal reaction to generate oxygen, and specific examples include potassium chlorate, lithium chlorate, sodium chlorate, hydrogen peroxide water, and the like. Can do.

酸化剤の濃度は、0.1〜10mol/l程度とすることが好ましく、0.5〜5mol/l程度とするこ
とがより好ましい。
The concentration of the oxidizing agent is preferably about 0.1 to 10 mol / l, and more preferably about 0.5 to 5 mol / l.

水熱反応を行う際の水溶液のpHについては、通常、pH8程度以上とすることが好ましく、pH11程度以上とすることがより好ましい。   About pH of the aqueous solution at the time of performing a hydrothermal reaction, it is usually preferable to set it as about pH8 or more, and it is more preferable to set it as about pH11 or more.

沈殿物、酸化剤及び水溶液リチウム化合物を含む水溶液がアルカリ性条件下にある場合には、そのまま加熱すればよいが、pH値が低い場合には、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属水酸化物、アンモニアなどを添加してpH値を上げればよい。   When the aqueous solution containing the precipitate, the oxidizing agent and the aqueous lithium compound is under alkaline conditions, it may be heated as it is, but when the pH value is low, for example, an alkali metal such as potassium hydroxide or sodium hydroxide. What is necessary is just to raise pH value by adding a hydroxide, ammonia, etc.

水熱反応は、通常の水熱反応装置(例えば、市販のオートクレーブ)を用いて行うことができる。   Hydrothermal reaction can be performed using a normal hydrothermal reaction apparatus (for example, a commercially available autoclave).

水熱反応条件は、特に限定されるものではないが、通常100〜300℃程度で0.1〜150時間程度とすればよく、好ましくは150〜250℃程度で1〜100時間程度とすればよい。   Hydrothermal reaction conditions are not particularly limited, but may be usually about 100 to 300 ° C. and about 0.1 to 150 hours, preferably about 150 to 250 ° C. and about 1 to 100 hours.

水熱反応終了後、通常、残存するリチウム化合物などの残存物を除去するために、反応生成物を洗浄する。洗浄には、例えば、水、水-アルコール、アセトンなどを用いること
ができる。次いで、生成物を濾過し、例えば、80℃以上の温度(通常は100℃程度)で乾燥
することにより、リチウム-鉄-マンガン前駆体を得ることができる。
After completion of the hydrothermal reaction, the reaction product is usually washed in order to remove the remaining lithium compound and the like. For example, water, water-alcohol, acetone or the like can be used for washing. Next, the product is filtered and dried at a temperature of 80 ° C. or higher (usually about 100 ° C.) to obtain a lithium-iron-manganese precursor.

本発明においては、上記で得られた前駆体をアルミニウム化合物及びリチウム化合物とともに焼成することによって、目的とする層状岩塩型リチウムフェライト系複合酸化物を得ることができる。   In the present invention, the target layered rock salt type lithium ferrite composite oxide can be obtained by firing the precursor obtained above together with an aluminum compound and a lithium compound.

アルミニウム化合物は、アルミニウム元素を含む化合物であれば特に限定なく使用でき、例えば、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、これらの水和物などを用いることができる。アルミニウム化合物の使用量は目的物質の組成式中のAl/(Fe+Mn+Al)比(n値)にあわせて適宜設定すればよい。特に、X線回折パタ
ーン等を用いて、充放電に関与しない不純物相であるフェライト及びLiAlO2等が認められない範囲内に設定することが好ましい。
The aluminum compound can be used without particular limitation as long as it is a compound containing an aluminum element. For example, aluminum oxide, aluminum hydroxide, aluminum nitrate, aluminum chloride, hydrates thereof, and the like can be used. The amount of the aluminum compound used may be appropriately set according to the Al / (Fe + Mn + Al) ratio (n value) in the composition formula of the target substance. In particular, it is preferable to use an X-ray diffraction pattern or the like so that ferrite, LiAlO 2 and the like, which are impurity phases not involved in charge / discharge, are not recognized.

尚、Al3+イオンは酸にもアルカリにも溶ける両性金属イオンであるため、後述する焼成後の水洗処理時にAlイオンが溶出する場合がある。通常、本発明の製造方法によれば、原料におけるAlモル比の50%前後のAlモル比のリチウムフェライト系複合酸化物が得られる傾向がある。このため、目的とするAlモル比のリチウムフェライト系複合酸化物を得るためには、生成物中のAlモル比に応じて、原料中のAlモル比を適宜増減すればよい。 In addition, since Al 3+ ions are amphoteric metal ions that are soluble in both acids and alkalis, Al ions may be eluted during the water washing treatment after firing, which will be described later. Usually, according to the production method of the present invention, a lithium ferrite composite oxide having an Al molar ratio of about 50% of the Al molar ratio in the raw material tends to be obtained. For this reason, in order to obtain a lithium ferrite composite oxide having an intended Al molar ratio, the Al molar ratio in the raw material may be appropriately increased or decreased according to the Al molar ratio in the product.

リチウム化合物としては、リチウム元素を含む化合物であれば特に限定なく使用でき、具体例として、塩化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム等のリチウム塩、水酸化リチウム、これらの水和物等を挙げることができる。リチウム化合物の使用量は、リチウム-
鉄-マンガン前駆体1モルに対して0.1〜2モル程度とすればよい。
The lithium compound can be used without particular limitation as long as it contains a lithium element. Specific examples include lithium salts such as lithium chloride, lithium nitrate, and lithium acetate, lithium hydroxide, and hydrates thereof. it can. The amount of lithium compound used is lithium
What is necessary is just to set it as about 0.1-2 mol with respect to 1 mol of iron-manganese precursors.

通常、反応性を向上させるために、上記方法で得られたリチウム-鉄-マンガン前駆体を粉砕混合した後、焼成することが好ましい。粉砕の程度については、粗大粒子が含まれず、混合物が均一な色調となっていればよい。   Usually, in order to improve the reactivity, it is preferable to pulverize and mix the lithium-iron-manganese precursor obtained by the above method, and then to fire. As for the degree of pulverization, it is sufficient that coarse particles are not included and the mixture has a uniform color tone.

リチウム化合物は、粉末形態、水溶液形態等として用いることができるが、反応の均一性を確保するために、水溶液の形態で使用することが好ましい。この場合、水溶液の濃度
については、通常、0.1〜10mol/l程度とすればよい。
The lithium compound can be used in the form of a powder, an aqueous solution, or the like, but is preferably used in the form of an aqueous solution in order to ensure the uniformity of the reaction. In this case, the concentration of the aqueous solution is usually about 0.1 to 10 mol / l.

焼成雰囲気については、特に限定はなく、大気中、酸化性雰囲気中、不活性雰囲気中、還元雰囲気中等任意の雰囲気を選択できる。焼成温度は、200〜1000℃程度とすることが
好ましく、300〜800℃程度とすることがより好ましい。焼成時間は、1〜100時間程度とすることが好ましく、20〜60時間程度とすることがより好ましい。
The firing atmosphere is not particularly limited, and any atmosphere such as the air, an oxidizing atmosphere, an inert atmosphere, or a reducing atmosphere can be selected. The firing temperature is preferably about 200 to 1000 ° C, more preferably about 300 to 800 ° C. The firing time is preferably about 1 to 100 hours, and more preferably about 20 to 60 hours.

焼成終了後、通常、過剰のリチウム化合物を除去するために、焼成物を水洗処理、溶媒洗浄処理等に供する。その後、濾過を行い、例えば、80℃以上の温度、好ましくは100℃
程度の温度で加熱乾燥してもよい。
After completion of the firing, the fired product is usually subjected to a water washing treatment, a solvent washing treatment or the like in order to remove excess lithium compound. Thereafter, filtration is performed, for example, a temperature of 80 ° C. or higher, preferably 100 ° C.
You may heat dry at the temperature of a grade.

更に、必要に応じて、この加熱乾燥物を粉砕し、リチウム化合物を加えて、焼成し、洗浄し、乾燥するという一連の操作を繰り返し行うことにより、リチウムフェライト系複合酸化物の優れた特性(リチウムイオン二次電池用正極材料としての作動電圧領域における
安定的な充放電特性、高容量など)をより一層改善することができる。
Furthermore, if necessary, the heat-dried product is pulverized, a lithium compound is added, calcined, washed, and dried to repeat a series of operations, whereby the excellent properties of the lithium ferrite composite oxide ( Stable charge / discharge characteristics, high capacity, etc. in the operating voltage region as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery can be further improved.

本発明によるリチウムフェライト系複合酸化物を用いるリチウムイオン二次電池は、公知の手法により製造することができる。すなわち、正極材料として、本発明による新規な複合酸化物を使用し、負極材料として、公知の金属リチウム、炭素系材料(活性炭、黒鉛)などを使用し、電解液として、公知のエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの溶媒に過塩素酸リチウム、LiPF6などのリチウム塩を溶解させた溶液を使用し、さらに
その他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組立てればよい。
The lithium ion secondary battery using the lithium ferrite composite oxide according to the present invention can be manufactured by a known method. That is, the novel composite oxide according to the present invention is used as the positive electrode material, the known metal lithium, carbon-based material (activated carbon, graphite), etc. are used as the negative electrode material, and the known ethylene carbonate and dimethyl are used as the electrolyte. A lithium ion secondary battery can be assembled according to a conventional method using a solution in which a lithium salt such as lithium perchlorate or LiPF 6 is dissolved in a solvent such as carbonate, and using other known battery components. That's fine.

本発明によれば、安価な原料及び元素を使用して、平均放電電圧が3V以上を保持でき、且つリチウムコバルト酸化物系正極材料と同等またはそれ以上の放電容量(150mAh/g以上)を有する、正極材料として有用な新規な複合酸化物を得ることができる。   According to the present invention, using an inexpensive raw material and element, the average discharge voltage can be maintained at 3 V or more, and the discharge capacity (150 mAh / g or more) is equal to or higher than that of the lithium cobalt oxide-based positive electrode material. Thus, a novel composite oxide useful as a positive electrode material can be obtained.

特に、本発明の複合酸化物は、高温で熱処理する際に、スピネルフェライトの形成が抑制されているために充放電に寄与する成分が多く、優れた充放電特性を発揮することができる。   In particular, the composite oxide of the present invention has many components that contribute to charge / discharge because the formation of spinel ferrite is suppressed during heat treatment at high temperatures, and can exhibit excellent charge / discharge characteristics.

本発明によるリチウムフェライト系複合酸化物は、高容量で、かつ低コストのリチウムイオン二次電池用正極材料として、極めて有用である。   The lithium ferrite composite oxide according to the present invention is extremely useful as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery having a high capacity and a low cost.

以下、実施例および比較例を示し、本発明の特徴とするところを一層明確にする。   Hereinafter, examples and comparative examples will be shown to further clarify the features of the present invention.

実施例1
硝酸鉄(III)9水和物50.50gと塩化マンガン(II)4水和物24.74g (全量0.25mol、Fe:Mnモル
比=1:1)を500mlの蒸留水に加え、完全に溶解させた。別のビーカーに水酸化リチウム水溶液(蒸留水500mlに水酸化リチウム1水和物50gを溶解させた溶液)を作製した。この水酸化
リチウム水溶液をチタン製ビーカーに入れ、エタノール200mlを加えて攪拌後、恒温漕内
に静置し、恒温漕内を-10℃に保った。次いで、この水酸化リチウム水溶液に上記金属塩
水溶液を2〜3時間かけて徐々に滴下して、Fe-Mn沈殿物を形成させた。反応液が完全にア
ルカリ性(pH11以上)になっていることを確認し、攪拌下に共沈物を含む反応液に室温で2
日間空気を吹き込んで酸化処理して、沈殿を熟成させた。
Example 1
Add 50.50 g of iron (III) nitrate nonahydrate and 24.74 g of manganese (II) chloride tetrahydrate (total amount 0.25 mol, Fe: Mn molar ratio = 1: 1) to 500 ml of distilled water and dissolve completely. It was. An aqueous lithium hydroxide solution (a solution in which 50 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 500 ml of distilled water) was prepared in another beaker. This lithium hydroxide aqueous solution was put into a titanium beaker, 200 ml of ethanol was added and stirred, and then allowed to stand in a thermostatic bath, and the thermostatic bath was kept at −10 ° C. Next, the metal salt aqueous solution was gradually dropped into the lithium hydroxide aqueous solution over 2 to 3 hours to form an Fe-Mn precipitate. Make sure that the reaction solution is completely alkaline (pH 11 or higher), and under stirring, add the coprecipitate to the reaction solution at room temperature.
Oxidation treatment was performed by blowing air for days to age the precipitate.

得られた沈殿を蒸留水で洗浄して濾別し、この沈殿生成物を水酸化リチウム1水和物50
g、塩素酸カリウム50g、水酸化カリウム309g及び蒸留水600mlとともにポリテトラフルオロエチレンビーカー中に入れ、よく攪拌した。この水溶液のpHは11以上であった。その後、水熱反応炉(オートクレーブ)内に設置し、220℃で8時間水熱処理した。
The obtained precipitate was washed with distilled water and filtered, and the precipitated product was mixed with lithium hydroxide monohydrate 50.
g, 50 g of potassium chlorate, 309 g of potassium hydroxide and 600 ml of distilled water were placed in a polytetrafluoroethylene beaker and stirred well. The pH of this aqueous solution was 11 or more. Thereafter, it was placed in a hydrothermal reactor (autoclave) and hydrothermally treated at 220 ° C. for 8 hours.

水熱処理終了後、反応炉を室温付近まで冷却し、水熱処理反応液を含むビーカーをオートクレーブ外に取り出し、生成している沈殿物を蒸留水で洗浄して、過剰に存在する水酸化リチウムなどの塩類を除去し、濾過することにより、粉末状生成物(リチウム-鉄-マンガン前駆体)を得た。   After the hydrothermal treatment is completed, the reaction furnace is cooled to near room temperature, the beaker containing the hydrothermal treatment reaction solution is taken out of the autoclave, the generated precipitate is washed with distilled water, and excess lithium hydroxide or the like is present. By removing the salts and filtering, a powdery product (lithium-iron-manganese precursor) was obtained.

濾過して得た前駆体を、水酸化リチウム1水和物15.74gを蒸留水100mlに溶解させた水酸化リチウム水溶液と混合し、更に、硝酸アルミニウム9水和物10.42g(Fe:Mn:Alモル比=0.45:0.45:0.10に相当)を蒸留水50mlに溶解させた水溶液を添加し、攪拌後、100℃において
一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した。
The precursor obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 15.74 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, and further 10.42 g of aluminum nitrate nonahydrate (Fe: Mn: Al An aqueous solution in which a molar ratio = 0.45: 0.45: 0.10) was dissolved in 50 ml of distilled water was added, and after stirring, dried overnight at 100 ° C. and pulverized to produce a powder.

次いで、得られた粉末を酸素気流中700℃で20時間焼成し、過剰のリチウム塩を除去す
るために、焼成物を蒸留水で水洗し、濾過し、乾燥して、目的物である鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3を粉末状生成物として得た。
Next, the obtained powder was calcined in an oxygen stream at 700 ° C. for 20 hours, and in order to remove excess lithium salt, the calcined product was washed with distilled water, filtered, dried, and the target products of iron and Aluminum-containing Li 2 MnO 3 was obtained as a powdered product.

この最終生成物のX線回折パターンのリートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000
を使用)を図2に示す。図2において、鉄およびアルミニウム含有Li2MnO3の実測のX線回
折パターンは、(+)印で示し、計算値は実線で示す。また、鉄およびアルミニウム含有Li2MnO3のピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の差をパターンの下の部分に表示している。すべてのピークは、後述する比較例1の層状岩塩型の鉄含有Li2MnO3 (Li1+x(Fe0.5Mn0.5)1-xO2)の単位胞
Rietveld analysis of the X-ray diffraction pattern of this final product (program is RIETAN-2000
2 is shown in FIG. In FIG. 2, the actually measured X-ray diffraction pattern of the iron and aluminum-containing Li 2 MnO 3 is indicated by a (+) mark, and the calculated value is indicated by a solid line. In addition, the peak position of iron and aluminum-containing Li 2 MnO 3 is a vertical bar, and the difference between the measured value and the calculated value is displayed in the lower part of the pattern. All peaks are unit cells of layered rock salt type iron-containing Li 2 MnO 3 (Li 1 + x (Fe 0.5 Mn 0.5 ) 1-x O 2 ) of Comparative Example 1 described later.

Figure 0004543156
で指数付けすることができた。
Figure 0004543156
I was able to index.

実施例1において得られた鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3の各ピークより計算される
格子定数(a= 2.8769(3)A, c=14.2764(13)A)が、比較例1の層状岩塩型の鉄含有Li2MnO3 (Li1+x(Fe0.5Mn0.5)1-xO2)の値に近いこと、化学分析(下記表1)により、FeおよびAlが仕
込量に近いそれぞれ47モル%(m値)および6モル%(n値)含まれていること、Li/(Mn+Fe+Al)値より計算されるx値が0.20であることから、実施例1において、鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3(Li1.20(Fe0.47Mn0.47Al0.06)0.80O2)が得られたことが確認できた。
The lattice constant (a = 2.8769 (3) A, c = 14.2764 (13) A) calculated from each peak of the iron and aluminum-containing Li 2 MnO 3 obtained in Example 1 is the layered rock salt type of Comparative Example 1. Of iron-containing Li 2 MnO 3 (Li 1 + x (Fe 0.5 Mn 0.5 ) 1-x O 2 ) % (m value) and 6 mol% (n value) are contained, and the x value calculated from the Li / (Mn + Fe + Al) value is 0.20. It was confirmed that the contained Li 2 MnO 3 (Li 1.20 (Fe 0.47 Mn 0.47 Al 0.06 ) 0.80 O 2 ) was obtained.

またリートベルト解析結果より、図1の結晶構造に対応する構造モデルが(Li0.9325M0.0675(18))3a[M0.707(3)Li0.293]3bO2と表されることがわかった。ここで3a及び3bはそれぞれ図1のLiCoO2のLi層とCo層内の金属イオンの占有位置をそれぞれ示し、Mはリチウム以
外の金属イオンを示す。3a及び3b位置の金属量Mの和は0.775となり上記組成式から推定
される0.80にきわめて近く、上記結論を支持する。
From the Rietveld analysis results, it was found that the structural model corresponding to the crystal structure of FIG. 1 is expressed as (Li 0.9325 M 0.0675 (18) ) 3a [M 0.707 (3) Li 0.293 ] 3b O 2 . Here, 3a and 3b indicate the occupied positions of metal ions in the Li layer and the Co layer of LiCoO 2 in FIG. 1, respectively, and M indicates a metal ion other than lithium. The sum of the metal amounts M at positions 3a and 3b is 0.775, which is very close to 0.80 estimated from the above composition formula, and supports the above conclusion.

また、図3は、実施例1で最終生成物として得られた鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3
の電子顕微鏡写真を電子的に画像処理した図面である。図3から、実施例1により、粒径が100nm程度で比較的揃った鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3が形成されていることが明らかである。
FIG. 3 shows the iron and aluminum-containing Li 2 MnO 3 obtained as the final product in Example 1.
It is drawing which electronically processed the electron micrograph of this. From FIG. 3, it is clear that, according to Example 1, iron and aluminum-containing Li 2 MnO 3 having a relatively uniform particle size of about 100 nm was formed.

比較例1
実施例1と同様にして、Fe-Mn混合水溶液から沈殿物を形成し、熟成した後、水熱処理、
水洗・濾過工程によりリチウム-鉄-マンガン前駆体を得た。
Comparative Example 1
In the same manner as in Example 1, after forming a precipitate from the Fe-Mn mixed aqueous solution and aging, hydrothermal treatment,
A lithium-iron-manganese precursor was obtained by washing with water and filtering.

次いで、水酸化リチウム1水和物15.74gを蒸留水100mlに溶解させた水酸化リチウム水溶液と、上記前駆体とを混合し、100℃で乾燥し、粉砕して、粉末状生成物を得た。得られ
た粉末状生成物を酸素気流中700℃で20時間焼成し、過剰のリチウム塩を除去するために
、焼成物を蒸留水で水洗し、濾過し、乾燥して、鉄含有Li2MnO3を粉末状生成物として得
た。
Next, a lithium hydroxide aqueous solution in which 15.74 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water and the precursor were mixed, dried at 100 ° C., and pulverized to obtain a powdered product. . The obtained powdery product was calcined at 700 ° C. for 20 hours in an oxygen stream, and the calcined product was washed with distilled water, filtered and dried to remove excess lithium salt, and the iron-containing Li 2 MnO 3 was obtained as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図4に示す。図4において、鉄含有Li2MnO3の実測のX線回折パターンは、(+)印で示し、計算値は実線で示す。また、鉄含有Li2MnO3のピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の差をパターンの下の部分に表示している。 The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. In FIG. 4, the measured X-ray diffraction pattern of the iron-containing Li 2 MnO 3 is indicated by a (+) mark, and the calculated value is indicated by a solid line. The peak position of iron-containing Li 2 MnO 3 is a vertical bar, and the difference between the measured value and the calculated value is displayed in the lower part of the pattern.

すべてのシャープな回折ピークは、層状岩塩型構造由来の   All sharp diffraction peaks are derived from layered rock salt structures

Figure 0004543156
で指数付け可能であり、層状岩塩型を有するリチウム−鉄−マンガン複合酸化物が生成していることが確認できた。得られた格子定数値は、既に報告されているリチウム−鉄−マンガン複合酸化物の値(格子定数a=2.882A, c=14.287A)に近い値であった(M.Tabuchi, A.Nakashima, H.Shigemura, K.Ado, H.Kobayashi, H.Sakaebe, H.Kageyama, T.Nakamura,
M.Kohzaki, A.Hirano and R.Kanno, Journal of The Electrochemical Society, 149, A509-A524, 2002。)
一方、図中矢印で示されるブロードなピークは試料中に存在するスピネルフェライトの単位胞
Figure 0004543156
Thus, it was confirmed that a lithium-iron-manganese composite oxide having a layered rock salt type was formed. The obtained lattice constant value was close to the value of the reported lithium-iron-manganese complex oxide (lattice constant a = 2.882A, c = 14.287A) (M. Tabuchi, A. Nakashima , H. Shigemura, K. Ado, H. Kobayashi, H. Sakaebe, H. Kageyama, T. Nakamura,
M. Kohzaki, A. Hirono and R. Kanno, Journal of The Electrochemical Society, 149, A509-A524, 2002. )
On the other hand, the broad peak indicated by the arrow in the figure is a unit cell of spinel ferrite present in the sample.

Figure 0004543156
で指数付けできた。鉄含有Li2MnO3とスピネルフェライト両生成相の存在比は、78:22と見積もられた。比較例1において得られた鉄含有Li2MnO3の各ピークより計算される格子定
数(a= 2.86316(17)A, c=14.2430(9)A)が、上記文献の記載値に近いこと、化学分析(下記
表1)により、Feが仕込量通り50モル%(m値)含まれていること、Li/(Mn+Fe)値より計算さ
れるx値が0.15であることから、比較例1において、試料平均組成は(Li1.15(Fe0.5Mn0.5)0.85O2)となる。またリートベルト解析結果より図1の結晶構造に対応する構造モデルが(Li0.9784M0.0216(19))3a[M0.673(4)Li0.327]3bO2と表されることがわかった。ここで3a及
び3bはそれぞれ図1のLiCoO2のLi層とCo層内の金属イオンの占有位置をそれぞれ示し、M
はリチウム以外の金属イオンを示す。3a及び3b位置の金属量Mの和は0.695となり上記組
成式から推定される0.85に比べかなり小さくなっている。これは鉄含有Li2MnO3に比べて
鉄イオンを多く含むスピネルフェライトの生成により鉄イオンが鉄含有Li2MnO3構造中よ
り遊離した結果として生じたものと判断できる。
Figure 0004543156
I was able to index. The abundance ratio of both iron-containing Li 2 MnO 3 and spinel ferrite formation phases was estimated to be 78:22. The lattice constants (a = 2.86316 (17) A, c = 14.2430 (9) A) calculated from the peaks of the iron-containing Li 2 MnO 3 obtained in Comparative Example 1 are close to the values described in the above document, As a result of chemical analysis (Table 1 below), Fe contained 50 mol% (m value) as charged, and the x value calculated from the Li / (Mn + Fe) value was 0.15. 1, the sample average composition is (Li 1.15 (Fe 0.5 Mn 0.5 ) 0.85 O 2 ). From the Rietveld analysis results, it was found that the structural model corresponding to the crystal structure of FIG. 1 is expressed as (Li 0.9784 M 0.0216 (19) ) 3a [M 0.673 (4) Li 0.327 ] 3b O 2 . Here, 3a and 3b respectively indicate the occupied positions of metal ions in the Li layer and the Co layer of LiCoO 2 in FIG.
Represents a metal ion other than lithium. The sum of the metal amounts M at the positions 3a and 3b is 0.695, which is considerably smaller than 0.85 estimated from the above composition formula. This can be determined to have occurred as a result of iron ions liberated from the iron-containing Li 2 MnO 3 structure by the formation of spinel ferrites containing more iron than the iron-containing Li 2 MnO 3.

以上の結果より、比較例1では、硝酸アルミニウムを添加する以外は実施例1と同じ製造条件で作製したにもかかわらずスピネルフェライト相が多量に副生したことが明らかである。この結果から、実施例1のごとくアルミニウムイオンを固溶させることにより、スピネルフェライト生成の抑制効果があることが確認できた。   From the above results, it is clear that in Comparative Example 1, a large amount of spinel ferrite phase was by-produced despite the production under the same production conditions as in Example 1 except that aluminum nitrate was added. From this result, it was confirmed that there was an effect of suppressing the formation of spinel ferrite by dissolving aluminum ions as in Example 1.

以上の実施例1及び比較例1における元素分析結果を下記表1に示す。   The elemental analysis results in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below.

Figure 0004543156
Figure 0004543156

充放電試験
上記実施例1および比較例1で得た各複合酸化物を正極材料とし、炭素材料を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に支持塩であるLiPF6を溶解させた1M溶液を電解液としてコイン型リチウム電池を作成した。このリチウ
ム電池の充放電特性を60℃において(電位範囲3.0-4.3V、電流密度42mA/g)充電開始にて検討した。
Charge / discharge test Each composite oxide obtained in Example 1 and Comparative Example 1 is used as a positive electrode material, a carbon material is used as a negative electrode material, and a mixed salt of ethylene carbonate and diethyl carbonate is used as a supporting salt, LiPF. A coin-type lithium battery was prepared using a 1M solution in which 6 was dissolved as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were studied at the start of charging at 60 ° C. (potential range: 3.0-4.3 V, current density: 42 mA / g).

図5は、実施例1と比較例1の各正極材料を用いたリチウム電池について、充放電特性を示すグラフである。図5において、右上がりの曲線は充電曲線に対応し、右下がりの曲線は放電曲線に対応する。図5から、実施例1の鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3正極材
料を用いた電池は、比較例1の鉄含有Li2MnO3正極材料を用いた電池と比較して、充放電
容量が大きいことが明らかである。
FIG. 5 is a graph showing charge / discharge characteristics of lithium batteries using the positive electrode materials of Example 1 and Comparative Example 1. In FIG. 5, the upward curve corresponds to the charge curve, and the downward curve corresponds to the discharge curve. From FIG. 5, the battery using the iron- and aluminum-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 1 has a higher charge / discharge capacity than the battery using the iron-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Comparative Example 1. It is clear.

図6は、各電池の放電容量の充放電サイクル数依存性を示すグラフである。この結果から、実施例1の鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3正極材料を用いたリチウム電池は、すべ
てのサイクル数にわたって高容量であることが判る。
FIG. 6 is a graph showing the dependency of the discharge capacity of each battery on the number of charge / discharge cycles. From this result, it can be seen that the lithium battery using the iron and aluminum-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 1 has a high capacity over all the cycle numbers.

以上の結果から、本発明の鉄及びアルミニウム含有Li2MnO3複合酸化物は、60℃とい
う高温の充放電試験において優れた充放電特性を示すものであり、リチウムイオン二次電池用リチウムフェライト系正極材料として、優れた性能を有することが確認できた。
From the above results, the iron- and aluminum-containing Li 2 MnO 3 composite oxide of the present invention exhibits excellent charge / discharge characteristics in a charge / discharge test at a high temperature of 60 ° C., and is a lithium ferrite type for lithium ion secondary batteries. It was confirmed that the cathode material has excellent performance.

本発明のリチウムフェライト系複合酸化物の結晶構造を模式的に示す図面である。。It is drawing which shows typically the crystal structure of the lithium ferrite type complex oxide of the present invention. . 実施例1で得られた試料のX線回折パターンを示す図面である。1 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern of a sample obtained in Example 1. 実施例1で得られた鉄およびアルミニウム含有Li2MnO3の電子顕微鏡写真を電子的に画像処理した図面である。An electron micrograph of the resulting iron and aluminum-containing Li 2 MnO 3 in Example 1 is an electronic image-processed drawings. 比較例1で得られた試料のX線回折パターンを示す図面である。4 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern of a sample obtained in Comparative Example 1. 実施例1および比較例1で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の60℃における充放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the charging / discharging characteristic in 60 degreeC of the coin-type lithium battery which each used the sample obtained in Example 1 and Comparative Example 1 as a positive electrode material. 実施例1および比較例1で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の放電容量の充放電サイクル数依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the charge-discharge cycle number dependence of the discharge capacity of the coin-type lithium battery which used the sample obtained in Example 1 and Comparative Example 1 as a positive electrode material, respectively.

Claims (5)

組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物。 Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 ) And a lithium ferrite composite oxide having a layered rock salt structure. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2において、nが0.06〜0.3である請求項1に
記載のリチウムフェライト系複合酸化物。
2. The lithium ferrite composite oxide according to claim 1, wherein in the composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 , n is 0.06 to 0.3.
マンガン化合物及び鉄化合物を含む混合水溶液をアルカリ性として沈殿物を形成し、得られた沈殿物を酸化剤および水溶性リチウム化合物と共にアルカリ性条件下で水熱処理し、次いで、水熱処理後の生成物をアルミニウム化合物およびリチウム化合物の存在下で焼成することを特徴とする、
組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物の製造方法。
A mixed aqueous solution containing a manganese compound and an iron compound is made alkaline to form a precipitate. The obtained precipitate is hydrothermally treated with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions, and then the hydrothermally treated product is converted to aluminum. Calcination in the presence of a compound and a lithium compound,
Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 ) And a method for producing a lithium ferrite composite oxide having a layered rock salt structure.
組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物からなるリチ
ウムイオン二次電池正極材料
Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 Lithium ion secondary battery positive electrode material comprising a lithium ferrite complex oxide having a layered rock salt type structure
組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemAln)1-xO2 (0<x<1/3, 0.05≦m≦0.75, 0.01≦n≦0.5, 0.06≦m+n<1)で表され、層状岩塩型構造を有するリチウムフェライト系複合酸化物からなるリチ
ウムイオン二次電池正極材料を構成要素とするリチウムイオン二次電池。

Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Al n ) 1-x O 2 (0 <x <1/3, 0.05 ≦ m ≦ 0.75, 0.01 ≦ n ≦ 0.5, 0.06 ≦ m + n <1 ) And a lithium ion secondary battery comprising a lithium ion secondary battery positive electrode material made of a lithium ferrite composite oxide having a layered rock salt structure.

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