JP4748706B2 - リチウムマンガン系複合酸化物粉末、その製造方法、リチウム二次電池用正極活物質及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Y.Makimura and T.Ohzuku,"J.Power Sources",119−121,156(2003年) Y.Koyama,I.Tanaka,H.Adachi,Y.Makimura and T.Ohzuku,"J.Power Sources",119−121,644(2003年) K.Ariyoshi,S.Yamamoto and T.Ohzuku,"J.Power Sources",119−121,959(2003年)
前記複合酸化物粉末は、一次粒子の凝集体からなり、前記一次粒子の平均粒径が50nm以下で、凝集体の平均粒径が200nm以下であるのが好ましい。
で表されるリチウムマンガン系複合酸化物を得る工程、得られたリチウムマンガン系複合酸化物を300〜700℃で加熱処理する工程を有することを特徴とする下記一般式(1)で表されるリチウムマンガン系複合酸化物粉末の製造方法である。
前記一般式(2)で表わされるリチウムマンガン系複合酸化物は、リチウム化合物と、マンガン化合物と、Fe、Ni及びCoから選ばれる金属元素を含む1種又は2種以上の遷移金属化合物とを水溶媒中で加圧下に反応させる水熱合成法でにより得られるものが好ましい。
また、本発明が提供する第4の発明は、前記第3の発明のリチウム二次電池正極活物質粉末を用いたことを特徴とするリチウム二次電池である。
本発明に係るリチウムマンガン系複合酸化物粉末は、下記一般式(1)で表されるリチウムマンガン系複合酸化物粉末である。
で表わされるリチウムマンガン系複合酸化物を300〜700℃で加熱処理して生成されたものである。
本発明に係るリチウムマンガン系複合酸化物粉末の製造方法は、水熱合成法で得られる上記一般式(2)で表されるリチウムマンガン系複合酸化物(中間体リチウムマンガン系複合酸化物)を300〜700℃、好ましくは350〜450℃で加熱処理(以下、「アニーリング処理」ともいう。)することを特徴とする。
また、アニーリング処理は、大気中、Ar、N2 等不活性雰囲気中又は酸素雰囲気中のいずれで行ってもよく、特に制限されない。
なお、上記製造方法において、中間体リチウムマンガン系複合酸化物は、例えば、リチウム化合物、マンガン化合物、前記遷移金属化合物を水の存在下に高温高圧で水熱合成を行うことにより製造できるが、以下に説明する方法で得られるものが該リチウムマンガン系複合酸化物粉末を正極活物質としたリチウム二次電池において、電池性能、特に放電容量、容量維持率が高く、更に優れたサイクル特性を示す電池が得られる点で特に好ましい。
中間体リチウムマンガン系複合酸化物の製造方法に用いられるリチウム化合物としては水酸化リチウム、硝酸リチウム等の水に可溶性のものが好ましい。また、マンガン化合物及びFe、Ni及びCoの金属原子を含む遷移金属化合物(以下、「遷移金属化合物」と略記する。)としては、水に可溶なものであって、不溶なものでもよく、特に制限されるものではなく、それぞれの金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩及び有機酸塩が挙げられ、特にマンガン化合物及び遷移金属化合物としてオキシ水酸化物を用いて得られるリチウムマンガン系複合酸化物は、該リチウムマンガン系複合酸化物粉末を正極活物質とするリチウム二次電池において、電池性能、特に放電容量と容量維持率が高く、優れたサイクル特性を示す。
反応終了後、濾過、必要により洗浄、乾燥、必要により粉砕して中間体リチウムマンガン系複合酸化物を得る。
好ましい中間体リチウムマンガン系複合酸化物の物性としては、走査型電子顕微鏡写真から求められる平均粒径が100nm以下、好ましくは50〜100nmである。
本発明において、上記で得られた中間体リチウムマンガン系複合酸化物をアニーリング処理する。
実施例1〜5及び比較例1〜2
LiOHとして4M/Lの濃度の水溶液(LiOH・H2 O:8.3920gを50mlの超純水で溶解させたもの)50ml中に、それぞれγ−MnOOH(TOSOH Co.Ltd)0.6996g(7.96×10-3M)及びα−FeOOH(TOSOH Co.Ltd)0.7109g(8.00×10-3M)を反応容器に仕込んだ。
(リチウム二次電池の作製)
実施例1〜5、比較例1〜2のリチウムマンガン系複合酸化物粉末試料70重量%、黒鉛粉末20重量%、ポリフッ化ビニリデン10重量%混合して正極合剤とし、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後、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、集電板、取り付け金具、外部端子、電解液等の各部材を用いてリチウム二次電池を作製した。負極は、結晶化度の高いカーボンを用い、電解液にはエチルメチルカーボネートとエチレンカーボネートの1:1混合液1リットルにLiPF6 を溶解したものを使用した。
(a)定電流操作下での電位変化と容量変化の関係(dQ/dV曲線)
このように調製したリチウム二次電池を作動させた。実施例2、実施例3、比較例1及び比較例2のリチウムマンガン系複合酸化物粉末を正極活物質として用いた電池につき、定電流操作下での電位変化と容量変化を示すdQ/dV曲線を図6〜図9にそれぞれ示した。
実施例1〜実施例4、比較例1及び比較例2のリチウムマンガン系複合酸化物粉末を正極活物質として用いたリチウム二次電池につき充放電カーブを図10〜図15にそれぞれ示した。なお、図中の「th」はサイクル数を示す。
さらにアニーリング効果を明確にするために、横軸にサイクル数、縦軸に放電容量をプロットしたサイクル特性を図16に示す。
Claims (11)
- リチウム化合物と、マンガン化合物と、Fe、Ni及びCoから選ばれる金属元素を含む1種又は2種以上の遷移金属化合物とを水溶媒中で温度100〜200℃で、圧力0.5〜2.0MPaの加圧下に反応させて生成したリチウムマンガン系複合酸化物を、300〜700℃で加熱処理して得られた下記一般式(1)で表されるリチウムマンガン系複合酸化物粉末。
- 前記複合酸化物粉末は、一次粒子の凝集体からなり、前記一次粒子の平均粒径が50nm以下で、凝集体の平均粒径が200nm以下である請求項1に記載のリチウムマンガン系複合酸化物粉末。
- 前記複合酸化物粉末は、CuKα線のX線回折パタ−ンの2θ=18.7°、33.6°、35.6°、44.3°、49.5°、54.1°、57.5°、58.8°、64.8°にピークを有する請求項1に記載のリチウムマンガン系複合酸化物粉末。
- 前記一般式(1)の式中のMeがFeである請求項1記載のリチウムマンガン系複合酸化物粉末。
- 水熱合成法で下記一般式(2)
で表されるリチウムマンガン系複合酸化物を得る工程、得られたリチウムマンガン系複合酸化物を300〜700℃で加熱処理する工程を有することを特徴とする下記一般式(1)で表されるリチウムマンガン系複合酸化物粉末の製造方法。
- 前記一般式(2)で表わされるリチウムマンガン系複合酸化物は、リチウム化合物と、マンガン化合物と、Fe、Ni及びCoから選ばれる金属元素を含む1種又は2種以上の遷移金属化合物とを水溶媒中で加圧下に反応させることにより得られる請求項5記載のリチウムマンガン系複合酸化物粉末の製造方法。
- 前記一般式(2)で表わされるリチウムマンガン系複合酸化物は、リチウムを含む水溶液に、マンガン化合物と、Fe、Ni及びCoから選ばれる金属元素を含む1種又は2種以上の遷移金属化合物を添加し、水溶媒中で100〜300℃で加圧下に反応させることにより得られる請求項5または6に記載のリチウムマンガン系複合酸化物粉末の製造方法。
- マンガン化合物及び遷移金属化合物がオキシ水酸化物である請求項5乃至7のいずれかの項に記載のリチウムマンガン系複合酸化物粉末の製造方法
- 請求項1乃至4のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物粉末を含むことを特徴とするリチウム二次電池正極活物質。
- 請求項9記載のリチウム二次電池正極活物質粉末を用いることを特徴とするリチウム二次電池。
- リチウム化合物と、マンガン化合物と、Fe、Ni及びCoから選ばれる金属元素を含む1種又は2種以上の遷移金属化合物とを水溶媒中で温度100〜200℃で、圧力0.5〜2.0MPaの加圧下に反応させることを特徴とする下記一般式(2)で表されるリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法。
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