JP4562496B2 - 改質リチウムマンガン複合酸化物、その製造方法、リチウム二次電池正極活物質組成物及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
LixMnO2 (1)
LiyMn2O4 (2)
(式中、xは0.9≦x≦1.1、yは0<y<2を示す。)で表わされるリチウムマンガン複合酸化物の粒子表面が酸性リン酸エステルの少なくとも1種以上の薬剤で被覆されていることを特徴とする改質リチウムマンガン複合酸化物である。
LixMnO2 (1)
LiyMn2O4 (2)
(式中、xは0.9≦x≦1.1、yは0<y<2を示す。)で表わされるリチウムマンガン複合酸化物と酸性リン酸エステルの少なくとも1種以上の薬剤とを接触させることを特徴とする改質リチウムマンガン複合酸化物の製造方法である。
LixMnO2 (1)
LiyMn2O4 (2)
(式中、xは0.9≦x≦1.1、yは0<y<2を示す。)で表わされるリチウムマンガン複合酸化物の粒子表面が酸性リン酸エステル又はキレート能を有する有機化合物から選ばれる少なくとも1種以上の薬剤で被覆されているものである。本発明の改質リチウムマンガン複合酸化物は、リチウム二次電池正極活物質又は正極副活物質として用いることができる。なお、本発明において、リチウムマンガン複合酸化物の粒子表面とは、一次粒子或いは一次粒子が集合した凝集粒子の表面をも包含するものである。
改質する前記一般式(1)又は前記一般式(2)で表わされるリチウムマンガン複合酸化物の好ましい物性としては、平均粒径が1.0〜30.0μm、好ましくは2.0〜15.0μmであると粒子同士の凝集による性能低下や粗大粒子による内部短絡等を防止できるため好ましい。なお平均粒径はレーザー法粒度分布測定方法により求められるものである(以下、平均粒径という場合にはこの測定方法で求められた値をいう)。
本発明の改質リチウムマンガン複合酸化物は、前記したリチウムマンガン複合酸化物の粒子表面が酸性リン酸エステル又はキレート能を有する有機化合物から選ばれる少なくとも1種以上の薬剤で被覆されているものである。これにより、改質リチウムマンガン複合酸化物と電解液との副反応を抑制でき、例えばガスの発生を抑制することができる。
LiaM1−bAbOc (3)
(式中、MはCo、Niから選ばれる少なくとも1種以上の遷移金属元素、AはMg、Al、Mn、Ti、Zr、Fe、Cu、Zn、Sn、Inから選ばれる少なくとも1種以上の金属元素を示し、aは0.9≦a≦1.1、bは0≦b≦0.5、cは1.8≦c≦2.2を示す。)で表わされるリチウム複合酸化物と併用して用いることが好ましい。この場合、本発明の改質リチウムマンガン複合酸化物は正極副活物質として作用し、前記一般式(3)で表わされるリチウム複合酸化物との相乗的な作用でリチウム二次電池の過放電特性、電池保存特性及び電池熱安定性を向上させることができる。前記一般式(3)で表わされるリチウム複合酸化物の種類としては特に制限はないが、その一例を示せば、LiCoO2、LiNiO2、LiNi0.8Co0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2等が挙げられ、これらのリチウム複合酸化物は1種又は2種以上で用いることができる。この中、LiCoO2が広く工業的に用いられ、また、本発明の改質リチウムマンガン複合酸化物との相乗効果が高いので特に好ましい。
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明が限定されるものではない。
・LiMnO2試料
Li原子とMn原子のモル比(Li/Mn)が1.00となるようにMn2O3(平均粒径7μm)とLi2CO3(平均粒径5.5μm)を秤量し、乾式で十分に混合した後、800℃で10時間窒素雰囲気中で焼成した。次いで該焼成物を粉砕、分級してLiMnO2を得た。得られたものの主物性を表1に示す。
エタノール150mlに表2に示した薬剤を0.5g、1g又は10gの割合でそれぞれ溶解した。次いで前記で調製したLiMnO2100gをこの溶液に添加し、25℃で2分間攪拌下した。次いで濾過後、120℃で減圧下に乾燥し改質リチウムマンガン複合酸化物試料を得た。得られた改質リチウムマンガン複合酸化物の諸物性を表2に示す。なお、pHとタップ密度の測定は下記のとおりに行った。また、参考例1で得られた改質リチウムマンガン複合酸化物試料について、後述するMnの溶出試験を行った。その結果を表2に併記した。
リチウムマンガン複合酸化物試料5gを、超純水100gに添加し5分間25℃で攪拌後の上澄み液をpHメーターで測定して求めた。
50mlのメスシリンダーにサンプル50gをいれ、これをユアサアイオニクス(株)製、DUAL AUTOTAP装置にセットし、500回タップした後の体積とサンプル重量からタップ密度を求めた。
リチウムマンガン複合酸化物試料1.0gを計り採り、120℃で3日間真空乾燥した後、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの1:1混練液1リットルにLiPF61モルを溶解した液50mlに加えて密栓し、80℃で1週間保持した。保持後、液を0.45μmのフィルターでろ過し、ろ過した液1.0gに対し、エタノール20mlを加え、更に純水で100mlに調整し、ICPによりこの液中のMn濃度を求めた。
(1)リチウム二次電池の作製;
上記のように調製した実施例2、4、7、参考例2、5、8、12及び比較例1の複合酸化物試料それぞれについて、試料85重量%、黒鉛粉末10重量%、ポリフッ化ビニリデン5重量%を混合して正極剤とし、これをN−メチル−2−ピロリジノンに分散させて混練ペーストを調製した。該混練ペーストをアルミ箔に塗布したのち乾燥、プレスして直径15mmの円盤に打ち抜いて正極板を得た。
充電はCCCVモード、カットオフ電圧4.25V、2.5mA/cm2の電流密度でカットオフ電流は1C電流値の1/20、充電はCCCVモード、カットオフ電圧3.4V、2.5mA/cm2の電流密度でカットオフ電流は1C電流の7/200として初期放電容量と初期充電容量を測定し、その結果を表3に示す。
輿石、喜多、和田(平成13年11月21日〜23日開催 第42回 電池討論会 講演要旨集、462〜463頁)、太田、大岩、石垣ら(平成13年11月21日〜23日開催 第42回 電池討論会 講演要旨集、470〜471頁)及び特開2002−158008号公報の電池の熱安定性評価方法に基づいて、実施例7、参考例12及び比較例1で調製した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を、CCCVモード、カットオフ電圧4.25V、2.5mA/cm2の電流密度でカットオフ電流は1C電流値の1/20まで充電した後、アルゴン雰囲気下でリチウム二次電池を分解し、リチウムをデインターカレーションした正極活物質を含有する正極板を取り出した。次いで、この取り出した各正極板から正極活物質を5.0mg削り取り、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの1:1混練液1リットルにLiPF61モルを溶解した液5.0mlと一緒に示差走査熱量測定(DSC)用耐圧密閉式セル(SUSセル)に封入し、昇温速度2℃/minにて示差走査熱量測定装置(セイコーインスツルメンツ株式会社製、形式DSC6200)にて示差熱量変化を測定した。その示差熱量変化の結果を図1に示す。
(リチウム複合酸化物の調製)
Co3O4(平均粒径5μm)40.0gとLi2CO3(平均粒径5μm)8.38gを秤量し、乾式で十分に混合した後1000℃で5時間焼成した。該焼成物を粉砕、分級してLiCoO2を得た。このものの諸物性を表4に示した。
<電池性能試験>
(1)リチウム二次電池の作製;
改質リチウムマンガン複合酸化物及び前記で調製したLiCoO2を用いて表5に示す組成の正極活物質を調製した。次いで、正極活物質91重量%、黒鉛粉末6重量%、ポリフッ化ビニリデン3重量%を混合して正極剤とし、これをN−メチル−2−ピロリジノンに分散させて混練ペーストを調製した。該混練ペーストをアルミ箔に塗布したのち乾燥、プレスして直径15mmの円盤に打ち抜いて正極板を得た。この正極板を用いて、セパレーター、負極、正極、集電板、取り付け金具、外部端子、電解液等の各部材を使用してリチウム二次電池を製作した。このうち、負極は人造黒鉛、集電体には銅を用い、電解液にはエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの1:1混練液1リットルにLiPF6 1モルを溶解したものを使用した。
実施例9、参考例13、比較例2及び比較例3の電池について、25℃において、1C相当の電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧で3時間充電した後、1C相当の電流で2.7Vまで放電したときの放電容量(以下、「初期放電容量」と呼ぶ。)を測定した。次いで、電池電圧0Vの定電圧で2日間放置し、過放電を行った。放置後、1C相当の電流で4.2Vで3時間定電流定電圧で再充電した後、1C相当の電流で2.7Vまで定電流放電を行い、放電容量(以下、「回復容量」と呼ぶ。)を測定した。
また、前記で調製したリチウム二次電池を25℃において、1C相当の電流で4.2Vまで充電した後、電池を充電装置から取り外し80℃の恒温槽中で10日間保持した。次いで、電池を分解し、発生したガスをシリンダー中に水中捕集してガス発生量を測定し、その結果を表6に示す。
Claims (9)
- 下記一般式(1)又は下記一般式(2);
LixMnO2 (1)
LiyMn2O4 (2)
(式中、xは0.9≦x≦1.1、yは0<y<2を示す。)で表わされるリチウムマンガン複合酸化物の粒子表面が酸性リン酸エステルの少なくとも1種以上の薬剤で被覆されていることを特徴とする改質リチウムマンガン複合酸化物。 - 前記薬剤の被覆量が、改質リチウムマンガン複合酸化物重量の0.1〜15.0重量%である請求項1記載の改質リチウムマンガン複合酸化物。
- 平均粒径が1.0〜30.0μmである請求項1記載の改質リチウムマンガン複合酸化物。
- BET比表面積が0.1〜10.0m2/gである請求項1記載の改質リチウムマンガン複合酸化物。
- 前記リチウムマンガン複合酸化物が、下記一般式(1);
LixMnO2 (1)
(式中、符号は前記と同じ)で表されるリチウムマンガン複合酸化物であることを特徴とする請求項1記載の改質リチウムマンガン複合酸化物。 - 下記一般式(1)又は下記一般式(2);
LixMnO2 (1)
LiyMn2O4 (2)
(式中、xは0.9≦x≦1.1、yは0<y<2を示す。)で表わされるリチウムマンガン複合酸化物と酸性リン酸エステルの少なくとも1種以上の薬剤とを接触させることを特徴とする改質リチウムマンガン複合酸化物の製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれか1項記載の改質リチウムマンガン複合酸化物を含むことを特徴とするリチウム二次電池正極活物質組成物。
- 請求項5記載の改質リチウムマンガン複合酸化物と、下記一般式(3);
LiaM1−bAbOc (3)
(式中、MはCo、Niから選ばれる少なくとも1種以上の遷移金属元素、AはMg、Al、Mn、Ti、Zr、Fe、Cu、Zn、Sn、Inから選ばれる少なくとも1種以上の金属元素を示し、aは0.9≦a≦1.1、bは0≦b≦0.5、cは1.8≦c≦2.2を示す。)で表わされるリチウム複合酸化物を含有することを特徴とするリチウム二次電池正極活物質組成物。 - 請求項7又は8のいずれか1項記載のリチウム二次電池正極活物質組成物を用いることを特徴とするリチウム二次電池。
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