JP4997609B2 - Method for producing lithium manganese composite oxide - 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マンガン系複合酸化物の新規な製造方法に関する。   The present invention relates to a novel method for producing a lithium manganese composite oxide useful as a positive electrode material for a next-generation low-cost lithium ion secondary battery.

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, in Japan, most of secondary batteries installed in portable devices such as mobile phones and notebook computers 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, power load leveling systems, and the like, 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る。このため、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 battery safety during charging, and lithium manganese oxide has trivalent manganese that elutes into the electrolyte during high-temperature (about 60 ° C) charge and discharge. However, there is a problem that the battery performance is significantly deteriorated. For this reason, alternatives to these materials have not made much progress.

一方、リチウムマンガン酸化物の中で溶出の原因となる3価のマンガンを含まない4価のマンガンイオンのみからなるLi2MnO3という物質が存在し、この材料は充放電不可能と考えられてきたが、最近の研究では4.8Vまで充電することにより充放電可能なことが見いだされてきている(下記非特許文献1参照)。しかしながら充放電特性に関してさらなる改善が必要である。On the other hand, there is a substance called Li 2 MnO 3 consisting only of tetravalent manganese ions that does not contain trivalent manganese, which causes elution, among lithium manganese oxides, and this material has been considered impossible to charge and discharge. However, recent studies have found that charging and discharging is possible by charging to 4.8 V (see Non-Patent Document 1 below). However, further improvements are necessary with respect to charge / discharge characteristics.

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方法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。In addition, lithium ferrite (LiFeO 2 ) containing iron, which is more abundant in resources than manganese and nickel, is less toxic, and contains less expensive iron, is being investigated as a potential electrode material. However, lithium ferrite obtained by a normal manufacturing method, that is, a method in which an iron source and a lithium source are mixed and fired at a high temperature hardly charges or discharges and 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上記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(FeyMn1-y)1-xO2、(0<x<1/3, 0<y<1)、以下「鉄含有Li2MnO3」という)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 inventors of the present invention have already described a layered rock-salt type solid solution (Li 1 + x (Fe y Mn) composed of lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) and lithium ferrite, which are inexpensive and resource-rich after iron. 1-y ) 1-x O 2 , (0 <x <1/3, 0 <y <1), hereinafter referred to as “iron-containing Li 2 MnO 3 ”) is used for lithium cobalt oxidation in charge / discharge tests at room temperature It has been found that it has an average discharge voltage close to 4V, which is comparable to that of ordinary products (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ている(下記特許文献5参照)。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. (See Patent Document 5 below).

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マンガン系複合酸化物正極材料や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、より優れた性能を有する正極材料を得るために、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。
C. Gan, H. Zhan, X. Hu, and Y. Zhou, Electrochemistry Communication, 7, 1318-1322, (2005) 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 特開2005-154256号公報
As described above, various reports have been made on lithium manganese based composite oxide positive electrode materials and lithium ferrite based positive electrode materials that can replace lithium cobalt based positive electrode materials. Optimization of the chemical composition and manufacturing conditions of the material is desired.
C. Gan, H. Zhan, X. Hu, and Y. Zhou, Electrochemistry Communication, 7, 1318-1322, (2005) Japanese Patent Laid-Open No. 10-120421 JP-A-8-295518 JP 2002-68748 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-121026 JP 2005-154256 A

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、リチウムコバルト系正極材料に代わり得る正極材料として期待されるリチウムマンガン系複合酸化物について、より一層優れた充放電性能を有する複合酸化物を形成可能な新規な製造方法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 purpose is to further improve the lithium manganese composite oxide expected as a positive electrode material that can replace the lithium cobalt base positive electrode material. Another object of the present invention is to provide a novel production method capable of forming a complex oxide having charge / discharge performance.

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、特定の一般式で表されるリチウムマンガン系複合酸化物について、沈殿形成工程、水熱処理工程及び焼成工程を含む製造方法を採用し、且つマンガン原料として過マンガン酸塩を含む原料を用いる場合には、その他の水溶性マンガン化合物を原料とする場合と比較して、充放電性能が大きく向上して、リチウムイオン電池の正極材料として優れた性能を有するリチウムマンガン系複合酸化物が得られることを見出し、ここに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, a lithium manganese-based composite oxide represented by a specific general formula employs a production method including a precipitation formation step, a hydrothermal treatment step, and a firing step, and uses a raw material containing permanganate as a manganese raw material. In this case, compared to the case where other water-soluble manganese compounds are used as raw materials, the charge / discharge performance is greatly improved, and a lithium manganese composite oxide having excellent performance as a positive electrode material of a lithium ion battery is obtained. As a result, the present invention has been completed.

即ち、本発明は、下記のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法、及び該製造方法によって得られたリチウムマンガン系複合酸化物の用途を提供するものである。
1. 組成式(1):Li1+x(Mn1−y−zFeyTiz)1−xO2(式中、0<x<1/3, 0≦y≦0.75, 0≦z≦0.75, 0≦y+z<1)で表され、層状岩塩型構造の結晶相を含むリチウム−マンガン系複合酸化物の製造方法であって、
マンガン化合物、鉄化合物及びチタン化合物を、組成式(1)中の元素比と同じ割合で水又は水−アルコール混合物からなる溶媒に溶解してなる原料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リチウム化合物の存在下で焼成する工程を含み、原料として用いるマンガン化合物が過マンガン酸塩をマンガン化合物の全量の20モル%以上含むものであることを特徴とするリチウム−マンガン系複合酸化物の製造方法。
2. リチウム−マンガン系複合酸化物が、組成式(2):Li1+x(Mn1−aFe)1−xO2(式中、0<x<1/3, 0.05≦a≦0.75)で表されるものである上記項1に記載の方法。
3. 原料として用いるマンガン化合物における過マンガン酸塩の割合が50モル%以上である上記項1に記載の方法。
4. 原料として用いるマンガン化合物が、過マンガン酸カリウムである上記項1に記載の方法。
5. 上記項1の方法で得られるリチウムマンガン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
6. 上記項1の方法で得られるリチウムマンガン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 method for producing a lithium manganese composite oxide and uses of the lithium manganese composite oxide obtained by the production method.
1. Composition formula (1): Li 1 + x (Mn 1−y−z Fe y Ti z ) 1−x O 2 (where 0 <x <1/3, 0 ≦ y ≦ 0.75, 0 ≦ z ≦ 0.75) , 0 ≦ y + z <1), and a method for producing a lithium-manganese composite oxide containing a crystal phase of a layered rock salt structure,
It is obtained by forming a precipitate by making a raw material solution obtained by dissolving a manganese compound, an iron compound and a titanium compound in a solvent composed of water or a water-alcohol mixture at the same ratio as the element ratio in the composition formula (1) to be alkaline. And hydrothermally treating the precipitate with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions, and then firing the hydrothermally treated product in the presence of the lithium compound. A method for producing a lithium-manganese composite oxide, comprising a salt containing 20 mol% or more of the total amount of the manganese compound.
2. Lithium-manganese composite oxide has a composition formula (2): Li 1 + x (Mn 1-a Fe a ) 1-x O 2 (where 0 <x <1/3, 0.05 ≦ a ≦ 0.75) Item 2. The method according to Item 1, which is represented by:
3. Item 2. The method according to Item 1, wherein the ratio of permanganate in the manganese compound used as a raw material is 50 mol% or more.
4). Item 2. The method according to Item 1, wherein the manganese compound used as a raw material is potassium permanganate.
5. 5. Lithium ion secondary battery positive electrode material comprising a lithium manganese composite oxide obtained by the method of item 1 above. The lithium ion secondary battery which uses the lithium ion secondary battery positive electrode material which consists of lithium manganese type complex oxide obtained by the method of said claim | item 1 as a component.

本発明のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法では、水又は水−アルコール混合物からなる溶媒に、マンガン化合物、及び必要に応じて鉄化合物とチタン化合物を溶解してなる原料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リチウム化合物の存在下で焼成する工程を含む方法によってリチウムマンガン系複合酸化物を製造することが必要である。   In the method for producing a lithium manganese composite oxide according to the present invention, the precipitate is made alkaline with a raw material solution obtained by dissolving a manganese compound and, if necessary, an iron compound and a titanium compound in a solvent comprising water or a water-alcohol mixture. And subjecting the resulting precipitate to hydromanganese treatment under alkaline conditions with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound, and then firing the hydrothermally treated product in the presence of the lithium compound. It is necessary to produce a system complex oxide.

本発明製造方法の目的物であるリチウムマンガン系複合酸化物は、4価のMnイオンを主構成元素とするLi2MnO3で表される化合物、又はLi2MnO3のMn元素の一部を鉄イオン及び/又はチタンイオンで置換した化合物であるため、Mnイオンの価数制御はきわめて重要である。Mnイオンの価数が4+から大きくずれ3.5+や3+になると他のリチウムマンガン酸化物であるLiMn2O4やLiMnO2といった不純物が生成しやすくなる。本発明において採用する水熱法を含む製造方法によれば、Mnイオンの価数制御が容易であり、目的とするリチウムマンガン系複合酸化物を高収率で得ることができる。The lithium manganese composite oxide, which is an object of the production method of the present invention, is a compound represented by Li 2 MnO 3 containing tetravalent Mn ions as a main constituent element, or a part of the Mn element of Li 2 MnO 3. Since it is a compound substituted with iron ions and / or titanium ions, control of the valence of Mn ions is extremely important. When the valence of Mn ions deviates greatly from 4+ to 3.5+ or 3+, impurities such as LiMn 2 O 4 and LiMnO 2 which are other lithium manganese oxides are likely to be generated. According to the production method including the hydrothermal method employed in the present invention, it is easy to control the valence of Mn ions, and the target lithium manganese composite oxide can be obtained in high yield.

以下、本発明のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法の各工程について具体的に説明する。   Hereafter, each process of the manufacturing method of the lithium manganese complex oxide of this invention is demonstrated concretely.

沈殿形成工程
本発明では、まず、マンガン化合物、及び必要に応じて鉄化合物とチタン化合物を含む原料溶液を調製する。これらの原料化合物については、目的とするリチウムマンガン系複合酸化物の組成に応じて、鉄化合物とチタン化合物の使用の有無、及び各原料化合物の使用割合を決めればよい。
In the present invention, first, a raw material solution containing a manganese compound and, if necessary, an iron compound and a titanium compound is prepared. About these raw material compounds, the presence or absence of the use of an iron compound and a titanium compound and the usage ratio of each raw material compound may be determined according to the composition of the target lithium manganese composite oxide.

本発明では、特に、原料として用いるマンガン化合物が、過マンガン酸塩を含むものであることが重要である。   In the present invention, it is particularly important that the manganese compound used as the raw material contains permanganate.

従来、リチウムマンガン系複合酸化物の製造方法において、原料として過マンガン酸塩を使用できることは知られていない。本発明によれば、沈殿形成工程、水熱処理工程及び焼成工程を含む製造方法を採用し、且つ、沈殿形成に用いる原料として過マンガン酸塩を含むマンガン原料を用いる場合には、その他の水溶性マンガン化合物を原料とする場合と比較して、得られるリチウムマンガン系複合酸化物の充放電特性が大きく向上するという予想外の結果が見出された。具体的には、60℃程度の高温の使用環境において優れた充放電性能を有することに加えて、低温での大電流密度下での放電時にも優れた放電性能を発揮するリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。   Conventionally, it is not known that permanganate can be used as a raw material in a method for producing a lithium manganese composite oxide. According to the present invention, when a manufacturing method including a precipitation forming step, a hydrothermal treatment step and a firing step is employed, and a manganese raw material containing permanganate is used as a raw material used for the precipitation formation, An unexpected result was found that the charge / discharge characteristics of the obtained lithium manganese composite oxide were greatly improved as compared with the case of using a manganese compound as a raw material. Specifically, in addition to having excellent charge / discharge performance in a high temperature use environment of about 60 ° C., lithium manganese based composite oxidation that exhibits excellent discharge performance even when discharged under a large current density at low temperature You can get things.

過マンガン酸塩を原料とする場合にこのような優れた性能を有するリチウムマンガン系複合酸化物が得られる理由については明確ではないが、後述する実施例の結果から明らかなように、過マンガン酸塩を原料とすることによって、最終的に形成されるリチウムマンガン系複合酸化物が微粉化され、これが優れた充放電性能を有する正極材料となる一因と推測される。また共沈物作製時に生成する可能性のある2価のマンガンイオンを含むスピネルマンガンフェライトMnFe2O4の生成を抑制する効果もあるものと考えられる。The reason why a lithium manganese composite oxide having such excellent performance is obtained when using permanganate as a raw material is not clear, but as is clear from the results of Examples described later, permanganate By using salt as a raw material, the finally formed lithium manganese composite oxide is micronized, and this is presumed to be a cause of becoming a positive electrode material having excellent charge / discharge performance. It is also considered that there is an effect of suppressing the generation of spinel manganese ferrite MnFe 2 O 4 containing divalent manganese ions that may be generated during coprecipitation.

本発明では、過マンガン酸塩は、原料とするマンガン化合物の全量中20モル%以上含まれることが必要であり、50モル%以上含まれることが好ましく、70モル%以上含まれることが更に好ましい。特に、マンガン化合物として過マンガン酸塩のみを用いることが最も好ましい。過マンガン酸塩としては、過マンガン酸カリウム等を用いることができる。   In the present invention, the permanganate must be contained in an amount of 20 mol% or more, preferably 50 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, based on the total amount of the manganese compound used as a raw material. . In particular, it is most preferable to use only permanganate as the manganese compound. As the permanganate, potassium permanganate or the like can be used.

過マンガン酸塩以外のマンガン化合物としては、例えば、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩、水酸化物などの水溶性マンガン化合物を用いることができる。これらの水溶性マンガン化合物は、無水物および水和物のいずれであってもよく、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。   Examples of manganese compounds other than permanganate include water-soluble manganese compounds such as chlorides, nitrates, sulfates, oxalates, acetates, and hydroxides. These water-soluble manganese compounds may be either anhydrides or hydrates, and can be used alone or in combination of two or more.

原料とする鉄化合物としては、特に限定はなく、通常、水溶性の化合物であればよい。この様な水溶性鉄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。これらの水溶性鉄化合物は、無水物および水和物のいずれであってもよい。また、金属や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。鉄化合物は、単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。   The iron compound used as a raw material is not particularly limited, and may be any water-soluble compound. Specific examples of such water-soluble iron compounds include water-soluble salts such as chlorides, nitrates, sulfates, oxalates and acetates, hydroxides and the like. These water-soluble iron compounds may be either anhydrides or hydrates. Further, even a water-insoluble compound such as a metal or an oxide can be used as an aqueous solution by being dissolved using an acid such as hydrochloric acid. An iron compound may be used independently and may use 2 or more types together.

チタン化合物についても特に限定はなく、通常、水溶性の化合物であればよい。この様な水溶性チタン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。これらの水溶性チタン化合物は、無水物および水和物のいずれであってもよい。また、金属や酸化物などの非水溶性化合物であっても、例えば、硫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。チタン化合物は、単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。   There is no particular limitation on the titanium compound as long as it is usually a water-soluble compound. Specific examples of such water-soluble titanium compounds include water-soluble salts such as chlorides, nitrates, sulfates, oxalates, and acetates, hydroxides, and the like. These water-soluble titanium compounds may be either anhydrides or hydrates. Further, even a water-insoluble compound such as a metal or an oxide can be used as an aqueous solution by being dissolved using an acid such as sulfuric acid. A titanium compound may be used independently and may use 2 or more types together.

マンガン化合物、鉄化合物及びチタン化合物の混合割合は、目的とするリチウムマンガン系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。即ち、鉄イオン量(y値:Fe/(Mn+Fe+Ti))については、マンガンイオン、鉄イオン及びチタンイオンの合計量の75モル%以下(0≦Fe/(Mn+Fe+Ti)≦0.75)程度とすればよく、好ましくは60モル%以下(0≦Fe/(Mn+Fe+Ti)≦0.6)程度とすればよい。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。   What is necessary is just to make it the mixing ratio of a manganese compound, an iron compound, and a titanium compound become the element ratio similar to each element ratio in the target lithium manganese type complex oxide. That is, the iron ion amount (y value: Fe / (Mn + Fe + Ti)) is 75 mol% or less of the total amount of manganese ion, iron ion and titanium ion (0 ≦ Fe / (Mn + Fe + Ti)) ≦ 0.75), preferably about 60 mol% or less (0 ≦ Fe / (Mn + Fe + Ti) ≦ 0.6). When the amount of Fe ions is excessive, not only is the dilution of Fe ions insufficient, but the number of Fe ions in the Li layer not involved in charge / discharge increases, which is not preferable in terms of battery characteristics.

チタンイオン量(z値:Fe/(Mn+Fe+Ti))については、マンガンイオン、鉄イオン及びチタンイオンの合計量の75モル%以下(0≦Ti/(Mn+Fe+Ti)≦0.75)程度とすればよく、好ましくは60モル%以下(0≦Ti/(Mn+Fe+Ti)≦0.6)程度とすればよい。後述するように、本発明の方法によって得られるリチウムマンガン系複合酸化物において、Tiイオンも、基本的にFeイオンと同様に、MnイオンやLi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。Tiイオンは、4価状態で存在しており、Li欠損の抑制や粉体特性の変化に寄与していると考えられるが、充放電に関与しないTiを多量に使用する場合には、充放電容量の低下を招くので好ましくない。   The amount of titanium ions (z value: Fe / (Mn + Fe + Ti)) is 75 mol% or less of the total amount of manganese ions, iron ions and titanium ions (0 ≦ Ti / (Mn + Fe + Ti) ≦ 0.75 ), Preferably 60 mol% or less (0 ≦ Ti / (Mn + Fe + Ti) ≦ 0.6). As will be described later, in the lithium manganese based composite oxide obtained by the method of the present invention, Ti ions are basically present in the layered rock salt structure in the form of replacing Mn ions and Li ions in the same manner as Fe ions. It seems to have done. Ti ions exist in a tetravalent state, which is thought to contribute to the suppression of Li deficiency and changes in powder characteristics. However, when using a large amount of Ti that is not involved in charge / discharge, charge / discharge is performed. This is not preferable because the capacity is reduced.

FeイオンとTiイオンの合計量は、前記組成式において0≦y+z<1程度の範囲とすればよい。   The total amount of Fe ions and Ti ions may be in the range of about 0 ≦ y + z <1 in the composition formula.

原料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、マンガン化合物、鉄化合物及びチタ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 raw material solution is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that a uniform mixed solution can be formed and a coprecipitate can be smoothly formed. Usually, the total concentration of the manganese compound, iron compound and titanium compound may be about 0.01 to 5 mol / l, preferably about 0.1 to 2 mol / l.

該原料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 raw material 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.

該原料溶液から沈殿物(共沈物)を生成させるには、該原料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、原料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 raw material solution, the raw material solution may be made alkaline. Conditions for forming a good precipitate vary depending on the type and concentration of each compound contained in the raw material solution, and thus cannot be defined unconditionally. However, the pH is preferably about 8 or more, and preferably about 11 or more. More preferred.

該原料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、該原料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原料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 raw material solution alkaline is not particularly limited. Usually, an alkali or an aqueous solution containing an alkali may be added to the raw material solution. Moreover, a coprecipitate can be formed also by the method of adding this raw material solution to the aqueous solution containing an alkali.

該原料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、上記した原料溶液と同様に、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 for making the raw material 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, they can be used as an aqueous solution having a concentration of about 0.1 to 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 in the same manner as the above raw material solution.

沈殿生成の際には、原料溶液の温度を-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など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 raw material solution is set to about -50 ° C to + 15 ° C, preferably about -40 ° C to + 10 ° C. Is suppressed and a homogeneous coprecipitate is easily formed.

該原料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 raw material 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.

水熱処理工程
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、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。
Hydrothermal treatment step The precipitate obtained by the above-described 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 a precipitate, an oxidizing agent, and a 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、上記工程で得られる沈殿物の含有量は、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 obtained in the above step 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、Mn、Fe及びTiの合計モル数に対するリチウム元素モル比として、Li/(Mn+Fe+Ti)=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 use amount of the water-soluble lithium compound is preferably about Li / (Mn + Fe + Ti) = 1 to 10 as a molar ratio of lithium element to the total number of moles of Mn, Fe and Ti, 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, and more preferably about 1 to 8 mol / l.

酸化剤としては、水熱反応時に分解して酸素を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. be able to.

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. The pH value may be increased by adding hydroxide, ammonia or the like.

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、リチウムマンガン系複合酸化物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, for example, at a temperature of 80 ° C. or higher (usually about 100 ° C.) to obtain a lithium manganese composite oxide.

焼成工程
上記した方法によって得られたリチウムマンガン系複合酸化物をリチウム化合物とともに焼成することによって、Li含有量および粉体特性を制御して目的とする岩塩型を基本構造とするリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。
Firing process Lithium manganese complex oxide obtained by calcining the lithium manganese complex oxide obtained by the above-mentioned method together with lithium compound to control the Li content and powder characteristics and to have the basic rock salt type as the basic structure You can get things.

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、水熱法で得られたリチウムマンガン系複合酸化物1モルに対して0.01〜2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 usage-amount of a lithium compound should just be about 0.01-2 mol with respect to 1 mol of lithium manganese complex oxide obtained by the hydrothermal method.

通常、反応性を向上させるために、水熱法で得られたリチウムマンガン系複合酸化物にリチウム化合物を加えて粉砕混合した後、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 add a lithium compound to the lithium manganese based composite oxide obtained by the hydrothermal method, pulverize and mix, and then 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、焼成温度まで達する時間を含めて0.1〜100時間程度とすることが好ましく、0.5〜60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 0.1 to 100 hours including the time to reach the firing temperature, and more preferably about 0.5 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 may be performed and, for example, heat drying may be performed at a temperature of 80 ° C. or higher, preferably about 100 ° C.

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、リチウムマンガン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, and a series of operations are repeated. 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.

リチウムマンガン系複合酸化物
上記した方法で得られるリチウムマンガン系複合酸化物は、組成式(1):Li1+x(Mn1-y-zFeyTiz)1-xO2(式中、0<x<1/3, 0≦y≦0.75, 0≦z≦0.75, 0≦y+z<1)で表されるものである。
Lithium Manganese Composite Oxide Lithium Manganese Composite Oxide obtained by the above-described method has a composition formula (1): Li 1 + x (Mn 1-yz Fe y Ti z ) 1-x O 2 (where 0 <x <1/3, 0 ≦ y ≦ 0.75, 0 ≦ z ≦ 0.75, 0 ≦ y + z <1).

上記組成式(1)で表される複合酸化物の内で、例えば、組成式(2):Li1+x(Mn1−aFe)1-xO2(式中、0<x<1/3, 0.05≦a≦0.75)で表される複合酸化物は、公知の化合物であり、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を主成分とするものであり、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ものである。Among the composite oxides represented by the composition formula (1), for example, the composition formula (2): Li 1 + x (Mn 1-a Fe a ) 1-x O 2 (where 0 <x < 1/3, 0.05 ≦ a ≦ 0.75) is a known compound, and the main component is a solid solution of layered rock salt structure composed of lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) and lithium ferrite In a charge / discharge test at room temperature, it has an average discharge voltage close to 4 V, comparable to that of lithium cobalt oxide.

また、上記組成式(1)で表される複合酸化物の内で、組成式(3):Li1+x(Mn1-bTib)1-xO2(式中、0<x<1/3, 0.01≦b≦0.75)で表される複合酸化物は、文献未記載の新規化合物である。この複合酸化物は、上記した特定量のTiイオンが含まれていることが重要である。Tiイオンが存在しないリチウム−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、Liが揮発してLi欠損組成になりやすい傾向がある。試料中に含まれるLiは充放電に寄与する成分であり、Li欠損は充放電特性を低下させることがある。組成式(3)の複合酸化物によれば、Tiが存在することによってLi欠損が著しく抑制され、充放電に関与するLi成分が増加して、リチウム−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。またTiイオンを固溶させることにより一次粒子径が減少する傾向が認められ、比表面積が増大していることから、微粉化により充放電特性の向上がはかられているものと思われる。さらにTiイオンの固溶によりLiMnO2というマンガン系特有の不純物の生成を短時間焼成においても抑制可能なことも充放電特性の向上の一因と思われる。Further, among the complex oxides represented by the composition formula (1), the composition formula (3): Li 1 + x (Mn 1-b Ti b ) 1-x O 2 (where 0 <x < 1/3, 0.01 ≦ b ≦ 0.75) is a novel compound not described in any literature. It is important that this complex oxide contains the specific amount of Ti ions described above. When a lithium-manganese composite oxide containing no Ti ions is baked at a high temperature when producing the composite oxide, Li tends to volatilize and become a Li-deficient composition. Li contained in the sample is a component that contributes to charge / discharge, and Li deficiency may deteriorate charge / discharge characteristics. According to the composite oxide of the composition formula (3), Li deficiency is remarkably suppressed due to the presence of Ti, and the Li component involved in charge / discharge is increased, which is further compared with the lithium-manganese composite oxide. It seems that the charge / discharge characteristics are improved. Moreover, the tendency that the primary particle diameter decreases by solid solution of Ti ions is recognized, and the specific surface area is increased. Therefore, it seems that charge / discharge characteristics are improved by pulverization. Furthermore, the generation of LiMnO 2, a peculiar manganese-based impurity, can be suppressed even during short-time firing by solid solution of Ti ions, which is thought to contribute to the improvement of charge / discharge characteristics.

本発明の製造方法で得られる組成式(1):Li1+x(Mn1-y-zFeyTiz)1-xO2(式中、0<x<1/3, 0≦y≦0.75, 0≦z≦0.75, 0≦y+z<1)で表されるリチウムマンガン系複合酸化物は、岩塩型構造を基本とした結晶構造であり、図1のような公知物質であるLiCoO2に類似した層状岩塩型構造を含むものである。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、本発明方法で得られる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。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。本発明方法で得られるリチウム−マンガン系複合酸化物における層状岩塩型構造の結晶相は、Liイオン、Feイオン、Tiイオン及びMnイオンが、LiCoO2のCo層に存在していることと、Li層内にFeイオン及びTiイオンが部分的に置換していることが特徴である。これは図2に示されるリチウムマンガン酸化物の一つであるLi2MnO3(単斜晶)において、Mn-Li層内での両イオンの規則配列が区別がつかないほど乱れた構造に対応するものである。Composition formula (1) obtained by the production method of the present invention: Li 1 + x (Mn 1-yz Fe y Ti z ) 1-x O 2 (where 0 <x <1/3, 0 ≦ y ≦ 0.75) , 0 ≦ z ≦ 0.75, 0 ≦ y + z <1), a lithium manganese based composite oxide has a crystal structure based on a rock salt structure, and is a known substance such as LiCoO 2 as shown in FIG. It contains a layered rock-salt structure similar to. 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 obtained by the method of the present invention. . 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. The crystal phase of the layered rock salt structure in the lithium-manganese composite oxide obtained by the method of the present invention is that Li ions, Fe ions, Ti ions and Mn ions are present in the Co layer of LiCoO 2 , and Li It is characterized in that Fe ions and Ti ions are partially substituted in the layer. This corresponds to a structure in which the ordered arrangement of both ions in the Mn-Li layer is indistinguishable in Li 2 MnO 3 (monoclinic crystal), one of the lithium manganese oxides shown in Fig. 2. To do.

本発明の製造方法で得られるリチウムマンガン系複合酸化物は、上記した層状岩塩型構造の結晶相の他に、図3に示される立方晶岩塩型構造の結晶相も含むものである。この結晶構造は図1と図2において陽イオンの区別がつかないほど完全に乱れた構造に対応するものである。この場合、層状岩塩型構造の結晶相と立方晶岩塩型構造の結晶相の割合は、通常、層状岩塩型構造結晶相:立方晶岩塩型構造結晶相(重量比)=10:90〜90:10程度の範囲となる。   The lithium manganese composite oxide obtained by the production method of the present invention includes the crystal phase of the cubic rock salt type structure shown in FIG. 3 in addition to the crystal phase of the layered rock salt type structure described above. This crystal structure corresponds to a completely disordered structure in which the cation cannot be distinguished in FIGS. In this case, the ratio of the crystal phase of the layered rock-salt structure to the crystal phase of the cubic rock-salt structure is usually a layered rock-salt structure crystal phase: cubic rock-salt structure crystal phase (weight ratio) = 10: 90 to 90: The range is about 10.

本発明方法によって得られる複合酸化物は、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、マンガン化合物、鉄化合物、チタン化合物 (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。   The composite oxide obtained by the method of the present invention has a lithium hydroxide, lithium carbonate, manganese compound, iron compound, titanium compound (with their hydration) in a range that does not significantly affect the charge / discharge characteristics (up to about 10 mol%). An impurity phase such as a product).

本発明の製造方法によって得られるリチウムマンガン系複合酸化物は、リチウムイオン二次電池における正極材料として用いた場合に、従来の製造方法で得られたリチウムマンガン系複合酸化物と比較すると、60℃程度の高温の使用環境において放電容量が高く、サイクル特性も良好である。更に、低温での大電流密度下での放電時にも優れた放電性能を発揮することができる。   When the lithium manganese composite oxide obtained by the production method of the present invention is used as a positive electrode material in a lithium ion secondary battery, the lithium manganese composite oxide is 60 ° C. compared with the lithium manganese composite oxide obtained by the conventional production method. The discharge capacity is high and the cycle characteristics are good in a high temperature use environment. Furthermore, excellent discharge performance can be exhibited even during discharge under a large current density at a low temperature.

本発明方法によって得られるリチウムマンガン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、本発明方法で得られたリチウムマンガン系複合酸化物を使用する他は、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。A lithium ion secondary battery using the lithium manganese composite oxide obtained by the method of the present invention can be produced by a known method. That is, as the positive electrode material, other than using the lithium manganese composite oxide obtained by the method of the present invention, as the negative electrode material, a known metal lithium, a carbon-based material (activated carbon, graphite) or the like is used as an electrolyte. , Using a solution in which a lithium salt such as lithium perchlorate or LiPF 6 is dissolved in a known solvent such as ethylene carbonate or dimethyl carbonate, and using other known battery components, What is necessary is just to assemble an ion secondary battery.

本発明のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法によれば、従来の製造方法によって得られるリチウムマンガン系複合酸化物と比較して、高温の使用環境において優れた充放電性能を有し、且つ低温での大電流密度下での放電時にも優れた放電性能を発揮するリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。   According to the method for producing a lithium manganese composite oxide of the present invention, it has excellent charge / discharge performance in a high temperature use environment as compared with the lithium manganese composite oxide obtained by the conventional production method, and at a low temperature. Thus, it is possible to obtain a lithium-manganese composite oxide that exhibits excellent discharge performance even during discharge at a large current density.

従って、本発明によれば、後述する実施例から明らかなように、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(200mAh/g以上)および重量エネルギー密度(700mWh/g以上)を有する、正極材料として有用なリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。   Therefore, according to the present invention, as will be apparent from the examples described later, the average discharge voltage can be maintained at 3 V or more by using inexpensive raw materials and elements, and is equivalent to or equal to the lithium cobalt oxide positive electrode material. A lithium manganese composite oxide useful as a positive electrode material having the above discharge capacity (200 mAh / g or more) and weight energy density (700 mWh / g or more) can be obtained.

本発明によって得られるリチウムマンガン系複合酸化物がこのような大容量を有するのは、従来の正極材料とは異なり、放電曲線が放電終止電圧(2.0Vまたは1.5V)に向かって緩やかに低下していく形状であることによるものであり、放電終止電圧を2.0V程度又は1.5V程度まで下げることによって、容易に大容量化を実現することができる。   Unlike the conventional positive electrode material, the lithium manganese composite oxide obtained by the present invention has such a large capacity, and the discharge curve gradually decreases toward the end-of-discharge voltage (2.0 V or 1.5 V). This is because it has a shape that increases, and by reducing the discharge end voltage to about 2.0 V or about 1.5 V, it is possible to easily realize a large capacity.

また、本発明方法で得られるリチウムマンガン系複合酸化物は、30℃以下という低温においても大きな放電容量を有していることから低温環境下においても優れた性能を発揮でき、小型民生用のみならず車載用などの大型リチウムイオン二次電池用正極材料としてきわめて有用である。   In addition, the lithium manganese composite oxide obtained by the method of the present invention has a large discharge capacity even at a low temperature of 30 ° C. or lower, and therefore can exhibit excellent performance even in a low temperature environment. Therefore, it is extremely useful as a positive electrode material for large-sized lithium ion secondary batteries for in-vehicle use.

特に、本発明方法によって得られる複合酸化物は、微粉末から構成されているために優れた充放電特性を発揮することができる。   In particular, since the composite oxide obtained by the method of the present invention is composed of fine powder, it can exhibit excellent charge / discharge characteristics.

本発明の製造方法で得られるリチウムマンガン系複合酸化物は、上記した優れた性能を有するものであり、高容量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 manganese composite oxide obtained by the production method of the present invention has the above-described excellent performance, and is extremely useful as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery having a high capacity and a low cost.

本発明の製造方法によって得られるリチウムマンガン系複合酸化物を構成する結晶相の内で、層状岩塩型構造の結晶相を模式的に示す図面である。It is drawing which shows typically the crystal phase of a layered rock salt type | mold structure among the crystal phases which comprise the lithium manganese type complex oxide obtained by the manufacturing method of this invention. 単斜晶Li2MnO3構造の結晶相を模式的に示す図面である。1 is a drawing schematically showing a crystal phase of a monoclinic Li 2 MnO 3 structure. 本発明方法で得られるリチウムマンガン系複合酸化物を構成する結晶相の内で、立方晶岩塩型構造の結晶相を模式的に示す図面である。It is drawing which shows typically the crystal phase of a cubic rock salt type | mold structure among the crystal phases which comprise the lithium manganese type complex oxide obtained by this invention method. 実施例1及び比較例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。1 is a drawing showing X-ray diffraction patterns of samples obtained in Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真と比較例1で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真を電子的に画像処理した図面である。It is the drawing which electronically image-processed the electron micrograph of the complex oxide obtained in Example 1, and the electron micrograph of the complex oxide obtained in Comparative Example 1. 充放電試験1で測定した初期充放電特性を示すグラフである。3 is a graph showing initial charge / discharge characteristics measured in charge / discharge test 1; 充放電試験1で測定した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。4 is a graph showing the dependency of the discharge capacity measured in the charge / discharge test 1 on the number of charge / discharge cycles. 充放電試験2で測定した初期放電特性を示すグラフである。5 is a graph showing initial discharge characteristics measured in charge / discharge test 2. 充放電試験2で測定した1/3C、1C、2C、3C、5C、10Cの各電流密度における2.0Vまでの初期放電特性を示すグラフである。4 is a graph showing initial discharge characteristics up to 2.0 V at each current density of 1 / 3C, 1C, 2C, 3C, 5C, and 10C measured in charge / discharge test 2; 実施例2、実施例3及び比較例2で得られた試料のX線回折パターンを示す図面である。2 is a drawing showing X-ray diffraction patterns of samples obtained in Example 2, Example 3 and Comparative Example 2. FIG. 実施例2及び実施例3で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真と比較例2で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真を電子的に画像処理した図面である。4 is an electronic image processing of the electron micrograph of the composite oxide obtained in Example 2 and Example 3 and the electron micrograph of the composite oxide obtained in Comparative Example 2. 充放電試験3で測定した初期充放電特性を示すグラフである。5 is a graph showing initial charge / discharge characteristics measured in charge / discharge test 3. FIG. 充放電試験3で測定した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。6 is a graph showing the dependency of the discharge capacity measured in the charge / discharge test 3 on the number of charge / discharge cycles. 実施例4及び比較例3で得られた試料のX線回折パターンを示す図面である。2 is a drawing showing X-ray diffraction patterns of samples obtained in Example 4 and Comparative Example 3. 実施例4で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真と比較例3で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真を電子的に画像処理した図面である。4 is an electronic image processing of an electron micrograph of the composite oxide obtained in Example 4 and an electron micrograph of the composite oxide obtained in Comparative Example 3. 充放電試験4で測定した初期充放電特性を示すグラフである。5 is a graph showing initial charge / discharge characteristics measured in charge / discharge test 4. 充放電試験4で測定した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。4 is a graph showing the dependency of the discharge capacity measured in the charge / discharge test 4 on the number of charge / discharge cycles. 充放電試験5で測定した初期充放電特性を示すグラフである。5 is a graph showing initial charge / discharge characteristics measured in charge / discharge test 5. 充放電試験5で測定した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。5 is a graph showing the dependency of the discharge capacity measured in the charge / discharge test 5 on the number of charge / discharge cycles. 実施例5及び比較例4で得られた試料のX線回折パターンを示す図面である。6 is a drawing showing X-ray diffraction patterns of samples obtained in Example 5 and Comparative Example 4. 実施例5で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真と比較例4で得られた複合酸化物の電子顕微鏡写真を電子的に画像処理した図面である。4 is an electronic image processing of an electron micrograph of the composite oxide obtained in Example 5 and an electron micrograph of the composite oxide obtained in Comparative Example 4. 充放電試験6で測定した初期充放電特性を示すグラフである。5 is a graph showing initial charge / discharge characteristics measured in a charge / discharge test 6; 充放電試験6で測定した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。7 is a graph showing the dependency of the discharge capacity measured in the charge / discharge test 6 on the number of charge / discharge cycles.

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が、本発明はこれら実施例に限定されない。   Hereinafter, examples and comparative examples will be shown to further clarify the features of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
硝酸鉄(III)9水和物50.50g及び過マンガン酸カリウム19.75g (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150ml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1日間空気を吹き込んで沈殿を熟成させた。
Example 1
Iron (III) nitrate nonahydrate 50.50 g and potassium permanganate 19.75 g (total amount 0.25 mol, Fe: Mn molar ratio = 1: 1) were added to 500 ml of distilled water and completely dissolved. 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, 150 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. After confirming that the reaction solution was completely alkaline (pH 11 or higher), air was blown into the reaction solution containing the coprecipitate with stirring at room temperature for 1 day 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50g、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5時間水熱処理した。   The resulting precipitate was washed with distilled water and filtered, and the precipitated product was placed in a polytetrafluoroethylene beaker together with 50 g of lithium hydroxide monohydrate, 50 g of potassium chlorate, 309 g of potassium hydroxide and 600 ml of distilled water. 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 5 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(リチウムマンガン系複合酸化物)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, and the generated precipitate is washed with distilled water to remove excess lithium hydroxide and the like. Salts were removed and filtered to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25g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、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 powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を大気中で1時間かけて850℃まで昇温し、その温度で1分間焼成後、炉中で室温まで冷却し、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、目的物であるリチウム−鉄−マンガン複合酸化物(鉄含有Li2MnO3)を粉末状生成物として得た。Next, the obtained powder was heated to 850 ° C. in the air over 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, cooled to room temperature in the furnace, and the fired product was removed in order to remove excess lithium salt. The product was washed with distilled water, filtered, and dried to obtain the target lithium-iron-manganese composite oxide (iron-containing Li 2 MnO 3 ) 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。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、図中○で示される炭酸リチウム由来のピークを除いたすべてのピークは層状岩塩型の鉄含有Li2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the Rietveld analysis results (the program uses RIETAN-2000), all the peaks except the peak derived from lithium carbonate indicated by ○ in the figure are unit cells of layered rock salt type iron-containing Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

を有する結晶相(第一相:a=2.8871(18)Å, c=14.259(6)Å)と、立方晶岩塩型のα-LiFeO2の単位胞Unit phase cell of the crystal phase (first phase: a = 2.8871 (18) Å, c = 14.259 (6) Å) and α-LiFeO 2

Figure 0004997609
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(第二相:a=4.1028(3Å、第一相と第二相の存在割合30:69)で指数付けできた。得られた層状岩塩型結晶相の格子定数値は、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=2.882Å, c=14.287Å)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。)
化学分析(下記表1)により、Feが仕込量に近いそれぞれ50モル%(y値)含まれていること、Li/(Fe+Mn)値より計算されるx値が0.21であることから、実施例1において、鉄含有Li2MnO3(Li1.21(Fe0.50Mn0.50)0.79O2)が得られたことが確認できた。
(Second phase: a = 4.1028 (3Å, first phase and second phase abundance ratio 30:69). Index of lattice constant of the obtained layered rock-salt type crystal phase has already been reported. It was close to the value of the lithium-iron-manganese composite oxide (lattice constant a = 2.882Å, c = 14.287Å) (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.)
According to chemical analysis (Table 1 below), Fe contained 50 mol% (y value) close to the charged amount, and x value calculated from Li / (Fe + Mn) value was 0.21. In Example 1, it was confirmed that iron-containing Li 2 MnO 3 (Li 1.21 (Fe 0.50 Mn 0.50 ) 0.79 O 2 ) was obtained.

図5は、実施例1で最終生成物として得られた鉄含有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5から、実施例1により、一次粒子径が100nm以下で1〜50μm程度に凝集した鉄含有Li2MnO3が形成されていることが明らかである。また比表面積は24.2m2/gであり、後述する比較例1の値21.8m2/gより大きく、より微粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが明らかである。FIG. 5 is an electronic image processed image of an electron micrograph of the iron-containing Li 2 MnO 3 obtained as a final product in Example 1. FIG. 5 clearly shows that, according to Example 1, iron-containing Li 2 MnO 3 aggregated to about 1 to 50 μm with a primary particle size of 100 nm or less is formed. The specific surface area is 24.2 m 2 / g, which is larger than the value 21.8 m 2 / g of Comparative Example 1 described later, and it is clear that a finer lithium manganese composite oxide was obtained.

比較例1
原料として、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の蒸留水に加えることによって得られたFe-Mn混合水溶液を用いること以外は、実施例1と同様の方法で、沈殿形成と水熱処理を行い、更に、実施例1と同様にして水酸化リチウムを添加して焼成し、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。
Comparative Example 1
By adding 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 distilled water as raw materials Except for using the obtained Fe-Mn mixed aqueous solution, precipitate formation and hydrothermal treatment were performed in the same manner as in Example 1, and further, lithium hydroxide was added and fired in the same manner as in Example 1. The fired product was washed with distilled water, filtered, and dried to obtain iron-containing Li 2 MnO 3 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。すべての回折ピークは、層状岩塩型構造由来の単位胞   The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. All diffraction peaks are unit cells derived from the layered rock salt structure

Figure 0004997609
Figure 0004997609

を有する結晶相(第一相:a=2.8854(3)Å, c=14.2964(14)Å)と、立方晶岩塩型のα-LiFeO2の単位胞Unit phase cell of cubic crystal salt type α-LiFeO 2 with a crystalline phase (the first phase: a = 2.8854 (3) Å, c = 14.2964 (14) Å)

Figure 0004997609
Figure 0004997609

(第二相:a=4.1035(7)Å、第一相と第二相の存在割合77:23)で指数付けできた。上記結果より層状岩塩型結晶相を含むリチウム−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。得られた層状岩塩型結晶相の格子定数値は、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=2.882Å, c=14.287Å)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。)
化学分析(下記表1)により、Feが仕込量通り50モル%(y値)含まれていること、Li/(Mn+Fe)値より計算されるx値が0.20であることから、比較例1で得られた試料の平均組成は(Li1.20(Fe0.50Mn0.50)0.80O2)となる。このように比較例1においても、実施例1とほぼ同様の化学組成を有する鉄含有Li2MnO3が作製できたことがわかる。
(Second phase: a = 4.1035 (7) Å, abundance ratio of the first phase and the second phase 77:23). From the above results, it was confirmed that a lithium-iron-manganese composite oxide containing a layered rock salt type crystal phase was produced. The lattice constant value of the obtained layered rock salt type crystal phase was close to the value of the already reported lithium-iron-manganese complex oxide (lattice constant a = 2.882Å, c = 14.287Å) (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.)
As a result of chemical analysis (Table 1 below), Fe contained 50 mol% (y value) as charged, and the x value calculated from the Li / (Mn + Fe) value was 0.20. The average composition of the sample obtained in 1 is (Li 1.20 (Fe 0.50 Mn 0.50 ) 0.80 O 2 ). Thus, it can be seen that also in Comparative Example 1, iron-containing Li 2 MnO 3 having almost the same chemical composition as Example 1 could be produced.

図5には、比較例1において最終生成物として得られた鉄含有Li2MnO3の電子顕微鏡写真を電子的に画像処理した図面を示す。図5から、比較例1においても、実施例1と同様に一次粒子径が100nm以下で1〜50μm程度に凝集した鉄含有Li2MnO3が形成されていることが確認できるが、比較例1の一次粒子径は実施例1に比べて僅かに大きくなっていることがわかる。比較例1で得られた酸化物の比表面積は21.8m2/g であり、前述した実施例1で得られた酸化物の値24.2m2/gに比べて小さくなっており、より粗粉のリチウム−鉄−マンガン複合酸化物が得られたことが明らかである。FIG. 5 shows a drawing in which an electron micrograph of the iron-containing Li 2 MnO 3 obtained as the final product in Comparative Example 1 is electronically image-processed. From FIG. 5, it can be confirmed that in Comparative Example 1 as well as Example 1, iron-containing Li 2 MnO 3 aggregated to about 1 to 50 μm with a primary particle size of 100 nm or less was formed. It can be seen that the primary particle diameter is slightly larger than that of Example 1. The specific surface area of the oxide obtained in Comparative Example 1 is 21.8 m 2 / g, which is smaller than the value 24.2 m 2 / g of the oxide obtained in Example 1 described above, and more coarse powder. It is apparent that a lithium-iron-manganese composite oxide was obtained.

以上の結果より、比較例1では、マンガン源が塩化マンガン(II)であること以外は実施例1と同じ製造条件で作製したにもかかわらず、粒成長が生じたことが明らかである。この結果から、実施例1において過マンガン酸カリウムを原料としたことにより、微粉化の効果が得られたことが確認できた。   From the above results, it is apparent that in Comparative Example 1, grain growth occurred despite the production under the same production conditions as in Example 1 except that the manganese source was manganese (II) chloride. From this result, it was confirmed that the effect of pulverization was obtained by using potassium permanganate as a raw material 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 0004997609
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充放電試験1
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、Li金属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2.0-4.5V、電流密度42.5mA/g)充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 1
1M solution in which each composite oxide obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was used as a positive electrode material, Li metal was used as a negative electrode material, and LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate. A coin-type lithium battery was prepared using the electrolyte as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were examined at the start of charging at 60 ° C. (potential range 2.0-4.5 V, current density 42.5 mA / g).

図6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、初期充放電特性を示すグラフである。図6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6および表2から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製した実施例1の鉄含有Li2MnO3正極材料を用いた電池は、塩化マンガン(II)をマンガン原料として調製した鉄含有Li2MnO3正極材料を用いた電池と比較して、初期充放電容量が大きく(238mAh/g)、充放電効率に優れる(75%)ことが明らかである。FIG. 6 is a graph showing initial charge / discharge characteristics of lithium batteries using the positive electrode materials of Example 1 and Comparative Example 1. In FIG. 6, the upward curve corresponds to the charge curve, and the downward curve corresponds to the discharge curve. Figures 6 and Table 2, the batteries using the iron-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 1 was prepared potassium permanganate as manganese starting material, iron was prepared manganese (II) chloride as manganese starting material containing Li 2 It is clear that the initial charge / discharge capacity is large (238 mAh / g) and the charge / discharge efficiency is excellent (75%) as compared with the battery using the MnO 3 positive electrode material.

Figure 0004997609
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図7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. 7 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 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、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製した本発明の鉄含有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マンガン系正極材料として、優れた性能を有することが確認できた。From the above results, the iron-containing Li 2 MnO 3 composite oxide of the present invention prepared using potassium permanganate as a manganese raw material exhibits excellent charge / discharge characteristics in a charge / discharge test at a high temperature of 60 ° C. It has been confirmed that the lithium manganese-based positive electrode material for ion secondary batteries has excellent performance.

充放電試験2
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、Li金属を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジメ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製した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において(電位範囲2.0-4.8V、電流密度42.5mA/g)充電開始にて検討した。なお放電時の温度を30℃の他に0℃、-20℃と変化させた。-20℃の放電時は、電流密度を8.5mA/gに下げて特性評価を実施した。また各温度の放電試験前に同一の電流密度で30℃での充電-放電-充電を実施した。
Charge / discharge test 2
1M solution in which each composite oxide obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was used as a positive electrode material, Li metal was used as a negative electrode material, and LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. A coin-type lithium battery was prepared using as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were examined at the start of charging at 30 ° C. (potential range 2.0-4.8 V, current density 42.5 mA / g). The temperature at the time of discharge was changed to 0 ° C. and −20 ° C. in addition to 30 ° C. When discharging at -20 ° C., the current density was lowered to 8.5 mA / g and the characteristics were evaluated. In addition, charge-discharge-charge at 30 ° C. was performed at the same current density before the discharge test at each temperature.

尚、30℃および0℃での放電容量測定は、電流密度42.5mA/gで実施し、その前の充電は30℃、上限電圧4.8Vで電流密度42.5mA/gで実施した。また、-20℃放電容量測定は、電流密度8.5mA/gで実施し、その前の充電は30℃、上限電圧4.8Vで電流密度8.5mA/gで実施した。   The discharge capacity measurement at 30 ° C. and 0 ° C. was performed at a current density of 42.5 mA / g, and the previous charging was performed at 30 ° C. with an upper limit voltage of 4.8 V and a current density of 42.5 mA / g. Further, the -20 ° C discharge capacity measurement was performed at a current density of 8.5 mA / g, and the previous charge was performed at 30 ° C with an upper limit voltage of 4.8 V and a current density of 8.5 mA / g.

図8は、実施例1(図中の実線)と比較例1(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池について、30℃、4.8Vまで充電後の3種の異なる温度(30℃、0℃、-20℃)での放電特性を示すグラフである。また、下記表3には、この試験で得られた充放電データ値を示す。   FIG. 8 shows three different temperatures after charging up to 30 ° C. and 4.8 V for lithium batteries using the positive electrode materials of Example 1 (solid line in the figure) and Comparative Example 1 (dashed line in the figure). It is a graph which shows the discharge characteristic in (degreeC, 0 degreeC, and -20 degreeC). Table 3 below shows the charge / discharge data values obtained in this test.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

図8および表3から、実施例1の鉄含有Li2MnO3正極材料を用いた電池は、比較例1の正極材料を用いた電池と比較して、どの温度においても放電容量が大きく、特に低温になるに従い両者の比率が増大していることが明らかである。From FIG. 8 and Table 3, the battery using the iron-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 1 has a large discharge capacity at any temperature as compared with the battery using the positive electrode material of Comparative Example 1, and in particular, It is clear that the ratio of both increases as the temperature decreases.

以上の結果から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として得られた鉄含有Li2MnO3複合酸化物は、60℃という高温の充放電試験時のみならず30℃、0℃、及び-20℃においても優れた放電特性を示すものであり、リチウムイオン二次電池用のリチウム−鉄−マンガン複合酸化物からなる正極材料として、優れた性能を有することが確認できた。From the above results, the iron-containing Li 2 MnO 3 composite oxide obtained using potassium permanganate as the manganese raw material was not only at the time of the charge / discharge test as high as 60 ° C., but also at 30 ° C., 0 ° C., and −20 ° C. Also shows excellent discharge characteristics, and was confirmed to have excellent performance as a positive electrode material made of a lithium-iron-manganese composite oxide for a lithium ion secondary battery.

また上記実施例1および比較例1で得た各複合酸化物を正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジメ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製した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において、電位範囲2.0-4.8Vで、充電開始にて検討した。更に、放電時の電流密度を127.5mA/gを1Cとして、42.5mA/g(1/3C)、127.5mA/g(1C)、255mA/g(2C)、382.5mA/g(3C)、637.5mA/g(5C)、1275mA/g(10C)と変化させて充放電特性の評価を行った。尚、充電時は、電流密度を1/3C(42.5mA/g)に固定して特性評価を実施した。また電流密度の放電試験前に同一の電流密度で30℃での充電-放電-充電を実施した。Further, each composite oxide obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was used as a positive electrode material, Li metal was used as a negative electrode material, and 1M in which LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. A coin-type lithium battery was produced using the solution as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were examined at the start of charging in a potential range of 2.0 to 4.8 V at 30 ° C. Furthermore, the current density during discharge is 127.5mA / g as 1C, 42.5mA / g (1 / 3C), 127.5mA / g (1C), 255mA / g (2C), 382.5mA / g (3C), 637.5 Charging / discharging characteristics were evaluated by changing to mA / g (5C) and 1275 mA / g (10C). During charging, the current density was fixed to 1 / 3C (42.5 mA / g), and the characteristics were evaluated. In addition, charge-discharge-charge at 30 ° C. was performed at the same current density before the current density discharge test.

図9は、実施例1(図中の実線)と比較例1(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池について、30℃、4.8Vまで充電後の上記6種の異なる電流密度での2.0Vまでの放電特性を示すグラフである。また、下記表4には、この試験で得られた放電容量値を示す。   FIG. 9 shows the six different current densities after charging up to 30 ° C. and 4.8 V for lithium batteries using each positive electrode material of Example 1 (solid line in the figure) and Comparative Example 1 (dashed line in the figure). It is a graph which shows the discharge characteristic to 2.0V in. Table 4 below shows the discharge capacity values obtained in this test.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

図9及び表4から、KMnO4を原料として調製した実施例1の鉄含有Li2MnO3正極材料を用いた電池は、MnCl2・4H2Oを原料として調製した比較例1の鉄含有Li2MnO3正極材料を用いた電池と比較して、どの電流密度においても放電容量が大きいことが明らかである。また3C以上の高い電流密度における平均放電電圧も高かった。From FIG. 9 and Table 4, the battery using the iron-containing Li 2 MnO 3 cathode material of Example 1 prepared using KMnO 4 as a raw material was the iron-containing Li of Comparative Example 1 prepared using MnCl 2 · 4H 2 O as a raw material. It is clear that the discharge capacity is large at any current density compared to the battery using the 2 MnO 3 positive electrode material. The average discharge voltage at high current density of 3C or higher was also high.

実施例2
出発原料として過マンガン酸カリウム39.51g(全量0.25mol)を用いること、及び水熱反応時間を48時間とすること以外は、実施例1と同様にして、沈殿作製、沈殿熟成、水熱処理、水洗処理、濾過、及び乾燥を行い、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。
Example 2
Precipitation preparation, precipitation ripening, hydrothermal treatment, water washing in the same manner as in Example 1 except that 39.51 g of potassium permanganate (total amount: 0.25 mol) was used as the starting material and the hydrothermal reaction time was 48 hours. Processing, filtration, and drying were performed to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

この最終生成物のX線回折パターンを図10に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは層状岩塩型のLi2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of layered rock salt type Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

で指数付けできた。得られた結晶相の格子定数値は、a=4.9242(9)Å, b=8.5346(14)Å, c=9.6173(9)Å, β=99.803(19)°であり、既に報告されている単斜晶Li2MnO3の値(格子定数a=4.921(6)Å, b=8.526(3)Å, c=9.606(5)Å, β=99.47(5)°)に近い値であった(A. Riou, A. Lecerf, Y. Gerault and Y. Cudennec, Materials Research Bulletin, 27, p.269-275, 1992.)。I was able to index. The lattice constant values of the obtained crystal phase are a = 4.9242 (9) Å, b = 8.5346 (14) Å, c = 9.6173 (9) Å, β = 99.803 (19) °, which has already been reported It was close to the value of monoclinic Li 2 MnO 3 (lattice constant a = 4.921 (6) Å, b = 8.526 (3) Å, c = 9.606 (5) Å, β = 99.47 (5) °) (A. Riou, A. Lecerf, Y. Gerault and Y. Cudennec, Materials Research Bulletin, 27, p.269-275, 1992.).

化学分析(下記表5)により、Li/Mn値より計算されるx値が0.29であることから、実施例2において、Li2MnO3(Li1.33Mn0.67O2)に近い組成(Li1.29Mn0.71O2)が得られたことが確認できた。According to chemical analysis (Table 5 below), the x value calculated from the Li / Mn value is 0.29. Therefore, in Example 2, the composition (Li 1.29 Mn) close to Li 2 MnO 3 (Li 1.33 Mn 0.67 O 2 ). It was confirmed that 0.71 O 2 ) was obtained.

図11は、実施例2で最終生成物として得られたLi2MnO3の電子顕微鏡写真(10万倍)を電子的に画像処理した図面である。図11から、実施例2により、一次粒子径が100nm以下で凝集した鉄含有Li2MnO3が形成されていることが明らかである。また比表面積は44.0m2/gであり、後述する比較例2の値2.5m2/gより大きく、より微粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが明らかである。FIG. 11 is a drawing in which an electron micrograph (100,000 times) of Li 2 MnO 3 obtained as a final product in Example 2 is electronically image-processed. From FIG. 11, it is clear that, according to Example 2, iron-containing Li 2 MnO 3 aggregated with a primary particle size of 100 nm or less was formed. The specific surface area was 44.0m 2 / g, greater than the value 2.5 m 2 / g of Comparative Example 2 described later, it is clear more the lithium manganese-based composite oxide fine powder was obtained.

実施例3
実施例2と同様にして、沈殿作製、沈殿熟成、水熱処理、及び水洗処理を行い、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。
Example 3
In the same manner as in Example 2, precipitation preparation, precipitation ripening, hydrothermal treatment, and water washing treatment were performed to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25g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、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 powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を大気中で1時間かけて650℃まで昇温し、その温度で20時間焼成後、炉中で室温まで冷却し、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、目的物であるリチウムマンガン複合酸化物を粉末状生成物として得た。   Next, the obtained powder is heated to 650 ° C. in the air over 1 hour, baked at that temperature for 20 hours, cooled to room temperature in the furnace, and the calcined product is removed in order to remove excess lithium salt. It was washed with distilled water, filtered, and dried to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図10に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは層状岩塩型のLi2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of layered rock salt type Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

で指数付けできた。得られた結晶相の格子定数値は、a=4.9249(9)Å, b=8.5374(14)Å, c=9.6169(10)Å, β=99.787(18)°であり、既に報告されている単斜晶Li2MnO3の値(格子定数a=4.921(6)Å, b=8.526(3)Å, c=9.606(5)Å, β=99.47(5)°)に近い値であった(A. Riou, A. Lecerf, Y. Gerault and Y. Cudennec, Materials Research Bulletin, 27, p.269-275, 1992.)。I was able to index. The lattice constant values of the obtained crystal phase are a = 4.9249 (9) Å, b = 8.5374 (14) Å, c = 9.6169 (10) Å, β = 99.787 (18) °, which has already been reported. It was close to the value of monoclinic Li 2 MnO 3 (lattice constant a = 4.921 (6) Å, b = 8.526 (3) Å, c = 9.606 (5) Å, β = 99.47 (5) °) (A. Riou, A. Lecerf, Y. Gerault and Y. Cudennec, Materials Research Bulletin, 27, p.269-275, 1992.).

化学分析(下記表5)により、Li/Mn値より計算されるx値が0.31であることから、実施例3において、Li2MnO3(Li1.33Mn0.67O2)に近い組成(Li1.31Mn0.69O2)が得られたことが確認できた。Since the x value calculated from the Li / Mn value is 0.31 by chemical analysis (Table 5 below), in Example 3, the composition close to Li 2 MnO 3 (Li 1.33 Mn 0.67 O 2 ) (Li 1.31 Mn It was confirmed that 0.69 O 2 ) was obtained.

図11は、実施例3で最終生成物として得られたLi2MnO3の電子顕微鏡写真(10万倍)を電子的に画像処理した図面である。図11から、実施例3により、一次粒子径が100nm以下で凝集した鉄含有Li2MnO3が形成されていることが明らかである。また比表面積は26.4m2/gであり、後述する比較例2の値2.5m2/gより大きく、より微粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが明らかである。FIG. 11 is a drawing obtained by electronic image processing of an electron micrograph (100,000 times) of Li 2 MnO 3 obtained as a final product in Example 3. From FIG. 11, it is clear that, according to Example 3, iron-containing Li 2 MnO 3 aggregated with a primary particle size of 100 nm or less was formed. The specific surface area is 26.4 m 2 / g, which is larger than the value of Comparative Example 2 described later, 2.5 m 2 / g, and it is clear that a finer lithium manganese composite oxide was obtained.

比較例2
出発原料として、過マンガンカリウムに代えて塩化マンガン(II)4水和物49.48g(全量0.25mol)を用いること以外は実施例3と同様にして、沈殿作製、沈殿熟成、水熱処理、Li塩添加、焼成、及び水洗処理を行い、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。
Comparative Example 2
Precipitation preparation, precipitation ripening, hydrothermal treatment, Li salt, as in Example 3, except that 49.48 g of manganese (II) chloride tetrahydrate (total amount 0.25 mol) is used instead of potassium permanganate as the starting material. Addition, firing, and water washing treatment were performed to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

この最終生成物のX線回折パターンを図10に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは層状岩塩型のLi2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of layered rock salt type Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

で指数付けできた。得られた結晶相の格子定数値は、a=4.9266(2)Å, b=8.5270(4)Å, c=9.6084(4)Å, β=99.600(3)°であり、既に報告されている単斜晶Li2MnO3の値(格子定数a=4.921(6)Å, b=8.526(3)Å, c=9.606(5)Å, β=99.47(5)°)に近い値であった(A. Riou, A. Lecerf, Y. Gerault and Y. Cudennec, Materials Research Bulletin, 27, p.269-275, 1992.)。I was able to index. The lattice constant values of the obtained crystal phase are a = 4.9266 (2) Å, b = 8.5270 (4) Å, c = 9.6084 (4) Å, β = 99.600 (3) °, which has already been reported. It was close to the value of monoclinic Li 2 MnO 3 (lattice constant a = 4.921 (6) Å, b = 8.526 (3) Å, c = 9.606 (5) Å, β = 99.47 (5) °) (A. Riou, A. Lecerf, Y. Gerault and Y. Cudennec, Materials Research Bulletin, 27, p.269-275, 1992.).

化学分析(下記表5)により、Li/Mn値より計算されるx値が0.32であることから、実施例3において、Li2MnO3(Li1.33Mn0.67O2)に近い組成(Li1.32Mn0.68O2)が得られたことが確認できた。Since the x value calculated from the Li / Mn value is 0.32 by chemical analysis (Table 5 below), in Example 3, the composition (Li 1.32 Mn) close to Li 2 MnO 3 (Li 1.33 Mn 0.67 O 2 ). It was confirmed that 0.68 O 2 ) was obtained.

図11は、比較例2で最終生成物として得られたLi2MnO3の電子顕微鏡写真(1万倍)を電子的に画像処理した図面である。図11から、比較例2により、微粒子も見られるものの多くは一次粒子径が1mm以上のLi2MnO3が形成されていることが明らかである。また比表面積は2.5m2/gであり、実施例2および3の値44.0および26.4m2/gより小さく、より粗粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが確認できた。FIG. 11 is a drawing obtained by electronic image processing of an electron micrograph (10,000 magnifications) of Li 2 MnO 3 obtained as a final product in Comparative Example 2. From FIG. 11, it is clear from Comparative Example 2 that most of the fine particles are also formed with Li 2 MnO 3 having a primary particle diameter of 1 mm or more. The specific surface area was 2.5 m 2 / g, which was smaller than the values 44.0 and 26.4 m 2 / g of Examples 2 and 3, confirming that a coarser lithium manganese composite oxide was obtained.

以上の実施例2、3及び比較例2における元素分析結果を下記表1に示す。   The elemental analysis results in Examples 2 and 3 and Comparative Example 2 are shown in Table 1 below.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

充放電試験3
上記実施例2、3および比較例2で得た各複合酸化物を正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジメ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30℃において(電位範囲2.0-4.8V、電流密度42.5mA/g)充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 3
Each composite oxide obtained in Examples 2 and 3 and Comparative Example 2 was used as a positive electrode material, Li metal was used as a negative electrode material, and LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. A coin-type lithium battery was prepared using the 1M solution as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were examined at the start of charging at 30 ° C. (potential range 2.0-4.8 V, current density 42.5 mA / g).

図12は、実施例2、3と比較例2の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期充放電特性を示すグラフである。図12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。また充放電データを下記表6に示す。   FIG. 12 is a graph showing initial charge / discharge characteristics of lithium batteries using the positive electrode materials of Examples 2 and 3 and Comparative Example 2. In FIG. 12, the upward curve corresponds to the charge curve, and the downward curve corresponds to the discharge curve. The charge / discharge data is shown in Table 6 below.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

図12および表6から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製した実施例2および3のLi2MnO3正極材料を用いた電池は、塩化マンガン(II)をマンガン原料として調製した比較例3のLi2MnO3正極材料を用いた電池と比較すると、平均電圧はほぼ同等であり、初期充放電容量、初期放電エネルギー密度が大きいことが明らかである。From FIG. 12 and Table 6, the batteries using the Li 2 MnO 3 positive electrode material of Examples 2 and 3 prepared using potassium permanganate as the manganese raw material were those of Comparative Example 3 prepared using manganese (II) chloride as the manganese raw material. Compared with the battery using the Li 2 MnO 3 positive electrode material, the average voltage is almost the same, and it is clear that the initial charge / discharge capacity and the initial discharge energy density are large.

図13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2および3のLi2MnO3正極材料を用いたリチウム電池は、比較例3の正極を用いた電池と比較して、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. 13 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 Li 2 MnO 3 positive electrode material of Examples 2 and 3 has a higher capacity over the number of cycles than the battery using the positive electrode of Comparative Example 3.

以上の結果から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製して得られるLi2MnO3複合酸化物は、30℃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マンガン系複合酸化物正極材料として、優れた性能を有することが確認できた。From the above results, the Li 2 MnO 3 composite oxide obtained by preparing potassium permanganate as a manganese raw material exhibits excellent charge / discharge characteristics in a charge / discharge test at 30 ° C., and is a lithium ion secondary battery. As a lithium manganese composite oxide positive electrode material for use, it was confirmed that it had excellent performance.

実施例4
出発原料として硝酸鉄(III)九水和物40.40g、30%硫酸チタン(IV)水溶液40.00g、及び過マンガン酸カリウム15.80g(全量0.25mol,Fe:Mn:Tiモル比=2:2:1)を用いること以外は、実施例2と同様にして、沈殿作製、沈殿熟成、水熱処理、及び水洗処理を行い、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。
Example 4
As starting materials, 40.40 g of iron (III) nitrate nonahydrate, 40.00 g of 30% titanium sulfate (IV) aqueous solution, and 15.80 g of potassium permanganate (total amount 0.25 mol, Fe: Mn: Ti molar ratio = 2: 2: Except for using 1), precipitation preparation, precipitation ripening, hydrothermal treatment, and water washing treatment were performed in the same manner as in Example 2 to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25g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、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 powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を大気中で1時間かけて750℃まで昇温し、その温度で1分間焼成後、炉中で室温まで冷却し、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、目的物であるリチウムマンガン系複合酸化物を粉末状生成物として得た。   Next, the obtained powder was heated to 750 ° C. in the air over 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, cooled to room temperature in the furnace, and the fired product was removed in order to remove excess lithium salt. The product was washed with distilled water, filtered, and dried to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図14に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは層状岩塩型の鉄含有Li2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of layered rock salt type iron-containing Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

を有する結晶相(第一相:a=2.929(5) Å, c=14.253(14) Å)と立方晶岩塩型のα-LiFeO2の単位胞Unit Phase Cell of Crystal Phase with Crystalline (First Phase: a = 2.929 (5) Å, c = 14.253 (14) Å) and Cubic Rock Salt Type α-LiFeO 2

Figure 0004997609
Figure 0004997609

(第二相:a=4.1053(2) Å、第一相と第二相の存在割合21:79)で指数付けできた。得られた層状岩塩型結晶相の格子定数値は、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=2.882 Å, c=14.287 Å)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。)。  (Second phase: a = 4.1053 (2) Å, the abundance ratio of the first phase and the second phase 21:79). The obtained lattice constant of the layered rock-salt-type crystal phase was close to the previously reported value of the lithium-iron-manganese complex oxide (lattice constant a = 2.882 Å, c = 14.287 Å) (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.).

化学分析(下記表7)により、Li/(Mn+Fe+Ti)値より計算されるx値が0.18、Fe/(Mn+Fe+Ti) 値より計算されるy値が0.40、Ti/(Mn+Fe+Ti) 値より計算されるz値が0.19であることから、実施例4において、仕込み組成(Li1+x(Fe0.4Mn0.4Ti0.2)1-xO2, 0<x<1/3)に近い組成(Li1.18(Fe0.40Mn0.41Ti0.19)0.82O2)の複合酸化物が得られたことが確認できた。According to chemical analysis (Table 7 below), the x value calculated from the Li / (Mn + Fe + Ti) value is 0.18, the y value calculated from the Fe / (Mn + Fe + Ti) value is 0.40, Ti / ( Since the z value calculated from the (Mn + Fe + Ti) value is 0.19, in Example 4, the charge composition (Li 1 + x (Fe 0.4 Mn 0.4 Ti 0.2 ) 1-x O 2 , 0 <x < It was confirmed that a composite oxide having a composition close to 1/3) (Li 1.18 (Fe 0.40 Mn 0.41 Ti 0.19 ) 0.82 O 2 ) was obtained.

図15は、実施例4で最終生成物として得られた鉄およびチタン含有Li2MnO3の電子顕微鏡写真(10万倍)を電子的に画像処理した図面である。図15から、実施例4により、一次粒子径が100nm以下で凝集した鉄およびチタン含有Li2MnO3が形成されていることが明らかである。また比表面積は30.2m2/gであり、後述する比較例3の値27.4m2/gより大きく、Mn源としてKMnO4を用いたため、より微粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが明らかである。FIG. 15 is an image obtained by electronic image processing of an electron micrograph (100,000 times) of the iron- and titanium-containing Li 2 MnO 3 obtained as the final product in Example 4. From FIG. 15, it is apparent from Example 4 that iron and titanium-containing Li 2 MnO 3 having a primary particle diameter of 100 nm or less is formed. The specific surface area was 30.2 m 2 / g, which was larger than the value 27.4 m 2 / g of Comparative Example 3 described later, and because KMnO 4 was used as the Mn source, a finer lithium manganese composite oxide was obtained. Is clear.

比較例3
出発原料として過マンガン酸カリウムに代えて塩化マンガン4水和物19.79g(全量0.25mol,Fe:Mn:Tiモル比=2:2:1)を用いること以外は、実施例4と同様にして、沈殿作製、沈殿熟成、水熱処理、LiOH添加、焼成、水洗処理、濾過、及び乾燥処理を行い、目的物である粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を粉末状生成物として得た。
Comparative Example 3
Example 4 was used except that 19.79 g of manganese chloride tetrahydrate (total amount: 0.25 mol, Fe: Mn: Ti molar ratio = 2: 2: 1) was used instead of potassium permanganate as a starting material. Precipitation preparation, precipitation ripening, hydrothermal treatment, LiOH addition, baking, washing treatment, filtration, and drying treatment were performed to obtain the target powdery product (lithium manganese composite oxide) as a powdery product .

この最終生成物のX線回折パターンを図14に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは層状岩塩型の鉄含有Li2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of layered rock salt type iron-containing Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

を有する結晶相(第一相:a=2.8861(16) Å, c=14.280(6) Å)と立方晶岩塩型のα-LiFeO2の単位胞Unit cell of crystal phase (α = 1.8861 (16) Å, c = 14.280 (6) Å) and cubic rock salt type α-LiFeO 2

Figure 0004997609
Figure 0004997609

(第二相:a=4.1086(3) Å、第一相と第二相の存在割合26:74)で指数付けできた。得られた層状岩塩型結晶相の格子定数値は、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=2.882 Å, c=14.287 Å)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。)。  (Second phase: a = 4.1086 (3) Å, the abundance ratio of the first phase and the second phase 26:74). The obtained lattice constant of the layered rock-salt-type crystal phase was close to the previously reported value of the lithium-iron-manganese complex oxide (lattice constant a = 2.882 Å, c = 14.287 Å) (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.).

化学分析(下記表7)により、Li/(Mn+Fe+Ti)値より計算されるx値が0.18、Fe/(Mn+Fe+Ti) 値より計算されるy値が0.40、Ti/(Mn+Fe+Ti) 値より計算されるz値が0.19であることから、比較例3において、仕込み組成(Li1+x(Fe0.4Mn0.4Ti0.2)1-xO2, 0<x<1/3)に近い組成(Li1.18(Fe0.40Mn0.41Ti0.19)0.82O2)の複合酸化物が得られたことが確認できた。According to chemical analysis (Table 7 below), the x value calculated from the Li / (Mn + Fe + Ti) value is 0.18, the y value calculated from the Fe / (Mn + Fe + Ti) value is 0.40, Ti / ( Since the z value calculated from the Mn + Fe + Ti) value is 0.19, in Comparative Example 3, the charge composition (Li 1 + x (Fe 0.4 Mn 0.4 Ti 0.2 ) 1-x O 2 , 0 <x < It was confirmed that a composite oxide having a composition close to 1/3) (Li 1.18 (Fe 0.40 Mn 0.41 Ti 0.19 ) 0.82 O 2 ) was obtained.

図15は、比較例3で最終生成物として得られた鉄およびチタン含有Li2MnO3の電子顕微鏡写真(10万倍)を電子的に画像処理した図面である。図15から、比較例3でも、一次粒子径が100nm以下で凝集した鉄およびチタン含有Li2MnO3が形成されていることが確認できるが、比表面積は27.4m2/gであり、前述の実施例4の値30.2m2/gより小さい値であった。よって、比較例3では、Mn源としてMnCl2を用いたため、より粗粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが明らかである。FIG. 15 is an image obtained by electronic image processing of an electron micrograph (100,000 times) of the iron- and titanium-containing Li 2 MnO 3 obtained as the final product in Comparative Example 3. From FIG. 15, even in Comparative Example 3, it can be confirmed that aggregated iron and titanium-containing Li 2 MnO 3 with a primary particle size of 100 nm or less is formed, but the specific surface area is 27.4 m 2 / g, The value of Example 4 was smaller than 30.2 m 2 / g. Therefore, in Comparative Example 3, since MnCl 2 was used as the Mn source, it is clear that a coarser lithium manganese composite oxide was obtained.

以上の実施例4及び比較例3における元素分析結果を下記表7に示す。   The elemental analysis results in Example 4 and Comparative Example 3 are shown in Table 7 below.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

充放電試験4
上記実施例4および比較例3で得た各複合酸化物を正極材料とし、Li金属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2.0-4.5V、電流密度42.5mA/g)充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 4
1M solution in which each composite oxide obtained in Example 4 and Comparative Example 3 was used as a positive electrode material, Li metal was used as a negative electrode material, and LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate. A coin-type lithium battery was prepared using the electrolyte as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were examined at the start of charging at 60 ° C. (potential range 2.0-4.5 V, current density 42.5 mA / g).

図16は、実施例4および比較例3の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期充放電特性を示すグラフである。図16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。表8には充放電初期データを示す。   FIG. 16 is a graph showing initial charge / discharge characteristics of lithium batteries using the positive electrode materials of Example 4 and Comparative Example 3. In FIG. 16, the upward curve corresponds to the charge curve, and the downward curve corresponds to the discharge curve. Table 8 shows the initial charge / discharge data.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

図16および表8から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製した実施例4の鉄およびチタン含有Li2MnO3正極材料を用いた電池は、塩化マンガン(II)をマンガン原料として調製した比較例3の鉄およびチタン含有Li2MnO3正極材料を用いた電池と比較して、初期放電容量およびエネルギー密度が大きく、充放電効率に優れることが明らかである。From FIG. 16 and Table 8, the battery using the iron and titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 4 prepared using potassium permanganate as the manganese raw material was a comparative example prepared using manganese (II) chloride as the manganese raw material. It is clear that the initial discharge capacity and energy density are large and the charge / discharge efficiency is excellent as compared with the battery using 3 iron and titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode materials.

図17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4の鉄およびチタン含有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. 17 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 titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 4 has a high capacity over all the cycle numbers.

充放電試験5
上記実施例4および比較例3で得た各複合酸化物を正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジメ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30℃において(電位範囲2.0-4.8V、電流密度42.5mA/g)充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 5
1M solution in which each composite oxide obtained in Example 4 and Comparative Example 3 was used as a positive electrode material, Li metal was used as a negative electrode material, and LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. A coin-type lithium battery was prepared using the electrolyte as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were examined at the start of charging at 30 ° C. (potential range 2.0-4.8 V, current density 42.5 mA / g).

図18は、実施例4および比較例3の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期充放電特性を示すグラフである。図18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。表9には充放電初期データを示す。   FIG. 18 is a graph showing initial charge / discharge characteristics of lithium batteries using the positive electrode materials of Example 4 and Comparative Example 3. In FIG. 18, a curve that rises to the right corresponds to a charge curve, and a curve that falls to the right corresponds to a discharge curve. Table 9 shows the initial charge / discharge data.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

図18および表9から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製した実施例4の鉄およびチタン含有Li2MnO3正極材料を用いた電池は、塩化マンガン(II)をマンガン原料として調製した比較例3の鉄およびチタン含有Li2MnO3正極材料を用いた電池と比較して、初期放電容量およびエネルギー密度が大きく、充放電効率に優れることが明らかである。From FIG. 18 and Table 9, the battery using the iron and titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 4 prepared using potassium permanganate as the manganese raw material was a comparative example prepared using manganese (II) chloride as the manganese raw material. It is clear that the initial discharge capacity and energy density are large and the charge / discharge efficiency is excellent as compared with the battery using 3 iron and titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode materials.

図19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4の鉄およびチタン含有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. 19 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 titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 4 has a high capacity over all the cycle numbers.

以上の結果から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製した鉄及びチタン含有Li2MnO3複合酸化物は、60℃という高温の充放電試験のみならず30℃で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マンガン系正極材料として、優れた性能を有することが確認できた。From the above results, the iron- and titanium-containing Li 2 MnO 3 composite oxide prepared using potassium permanganate as a manganese raw material has excellent charge / discharge tests at 30 ° C. as well as high-temperature charge / discharge tests at 60 ° C. It shows discharge characteristics, and was confirmed to have excellent performance as a lithium manganese-based positive electrode material for lithium ion secondary batteries.

実施例5
出発原料として30%硫酸チタン(IV)水溶液60.00g、及び過マンガン酸カリウム27.66g(全量0.25mol, Mn:Tiモル比=7:3)を用いること以外は、実施例2と同様にして、沈殿作製、沈殿熟成、水熱処理、及び水洗処理を行い、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。
Example 5
As in Example 2, except that 60.00 g of 30% titanium sulfate (IV) aqueous solution and 27.66 g of potassium permanganate (total amount 0.25 mol, Mn: Ti molar ratio = 7: 3) were used as starting materials. Precipitation preparation, precipitation ripening, hydrothermal treatment, and water washing treatment were performed to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25g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、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 powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を大気中で1時間かけて550℃まで昇温し、その温度で1分間焼成後、炉中で室温まで冷却し、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、目的物であるリチウムマンガン系複合酸化物を粉末状生成物として得た。   Next, the obtained powder was heated to 550 ° C. in the air for 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, cooled to room temperature in the furnace, and the fired product was removed in order to remove excess lithium salt. The product was washed with distilled water, filtered, and dried to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図20に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは層状岩塩型の鉄含有Li2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of layered rock salt type iron-containing Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

を有する結晶相(第一相:a=2.8583(8) Å, c=14.239(3) Å)と立方晶岩塩型のα-LiFeO2の単位胞Unit cell of α-LiFeO 2 with crystal phase (first phase: a = 2.8583 (8) Å, c = 14.239 (3) Å)

Figure 0004997609
Figure 0004997609

(第二相:a=4.0791(5) Å、第一相と第二相の存在割合43:57)で指数付けできた。得られた層状岩塩型結晶相の格子定数値は、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=2.882 Å, c=14.287 Å)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。)。  (Second phase: a = 4.0791 (5) Å, the abundance ratio of the first phase and the second phase 43:57). The obtained lattice constant of the layered rock-salt-type crystal phase was close to the previously reported value of the lithium-iron-manganese complex oxide (lattice constant a = 2.882 Å, c = 14.287 Å) (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.).

化学分析(下記表10)により、Li/(Mn+Ti)値より計算されるx値が0.28、Ti/(Mn+Ti) 値より計算されるz値が0.29であることから、実施例5において、仕込み組成(Li1+x(Mn0.7Ti0.3)1-xO2, 0<x<1/3)に近い組成(Li1.28(Mn0.71Ti0.29)0.72O2)が得られたことが確認できた。According to chemical analysis (Table 10 below), the x value calculated from the Li / (Mn + Ti) value is 0.28, and the z value calculated from the Ti / (Mn + Ti) value is 0.29. The composition (Li 1.28 (Mn 0.71 Ti 0.29 ) 0.72 O 2 ) close to the charged composition (Li 1 + x (Mn 0.7 Ti 0.3 ) 1-x O 2 , 0 <x <1/3) was obtained. Was confirmed.

図21は、実施例5で最終生成物として得られたチタン含有Li2MnO3の電子顕微鏡写真(10万倍)を電子的に画像処理した図面である。図21から、実施例5により、一次粒子径が100nm以下で凝集したチタン含有Li2MnO3が形成されていることが明らかである。また比表面積は32.5m2/gであり、後述する比較例3の値34.3m2/gと同等であり、微粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが確認できた。尚、実施例5で得られたチタン含有Li2MnO3は立方晶岩塩型相を含むのに対して、後述する比較例4で得られたチタン含有Li2MnO3は、立方晶岩塩型相を含んでおらず、この点が充放電特性の向上の一因とも考えられる。FIG. 21 is an image obtained by electronically processing an electron micrograph (100,000 times) of a titanium-containing Li 2 MnO 3 obtained as a final product in Example 5. From FIG. 21, it is clear that, according to Example 5, titanium-containing Li 2 MnO 3 aggregated with a primary particle size of 100 nm or less was formed. The specific surface area was 32.5 m 2 / g, is equivalent to the value 34.3m 2 / g of Comparative Example 3 to be described later, it was confirmed that the lithium-manganese-based composite oxide fine powder was obtained. The titanium-containing Li 2 MnO 3 obtained in Example 5 contains a cubic rock salt type phase, whereas the titanium-containing Li 2 MnO 3 obtained in Comparative Example 4 described later has a cubic rock salt type phase. This point is also considered to contribute to the improvement of charge / discharge characteristics.

比較例4
出発原料として過マンガン酸カリウムに代えて塩化マンガン4水和物34.63g((全量0.25mol, Mn:Tiモル比=7:3)を用いること以外は、実施例5と同様にして、沈殿作製、沈殿熟成、水熱処理、LiOH添加、焼成、水洗処理、濾過、及び乾燥処理を行い、目的物である粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を粉末状生成物として得た。
Comparative Example 4
Precipitation was prepared in the same manner as in Example 5 except that 34.63 g of manganese chloride tetrahydrate ((total amount: 0.25 mol, Mn: Ti molar ratio = 7: 3)) was used instead of potassium permanganate as a starting material. Then, precipitation ripening, hydrothermal treatment, LiOH addition, firing, water washing treatment, filtration, and drying treatment were performed to obtain the target powdery product (lithium manganese composite oxide) as a powdery product.

この最終生成物のX線回折パターンを図20に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは層状岩塩型の鉄含有Li2MnO3の単位胞The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of layered rock salt type iron-containing Li 2 MnO 3

Figure 0004997609
Figure 0004997609

を有する結晶相(第一相:a=2.8634(3) Å, c=14.2525(13) Å)のみで指数付けできた。得られた層状岩塩型結晶相の格子定数値は、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=2.882 Å, c=14.287 Å)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。)。 It was possible to index only in a crystal phase having a first phase (a = 2.8634 (3) Å, c = 14.2525 (13) Å). The obtained lattice constant of the layered rock-salt-type crystal phase was close to the previously reported value of the lithium-iron-manganese complex oxide (lattice constant a = 2.882 Å, c = 14.287 Å) (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.).

化学分析(下記表10)により、Li/(Mn+Ti)値より計算されるx値が0.28、Ti/(Mn+Ti) 値より計算されるz値が0.29であることから、比較例4において、仕込み組成(Li1+x(Mn0.7Ti0.3)1-xO2, 0<x<1/3)に近い組成(Li1.28(Mn0.71Ti0.29)0.72O2)が得られたことが確認できた。According to chemical analysis (Table 10 below), the x value calculated from the Li / (Mn + Ti) value is 0.28, and the z value calculated from the Ti / (Mn + Ti) value is 0.29. The composition (Li 1.28 (Mn 0.71 Ti 0.29 ) 0.72 O 2 ) close to the charged composition (Li 1 + x (Mn 0.7 Ti 0.3 ) 1-x O 2 , 0 <x <1/3) was obtained. Was confirmed.

図21は、比較例4で最終生成物として得られたチタン含有Li2MnO3の電子顕微鏡写真(10万倍)を電子的に画像処理した図面である。図21から、比較例4により、一次粒子径が100nm以下で凝集したチタン含有Li2MnO3が形成されていることが明らかである。また比表面積は34.3m2/gであり、前述の実施例5の値32.5m2/gと同等であり微粉のリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが確認できた。FIG. 21 is a drawing obtained by electronic image processing of an electron micrograph (100,000 times) of the titanium-containing Li 2 MnO 3 obtained as the final product in Comparative Example 4. From FIG. 21, it is clear that Comparative Example 4 forms titanium-containing Li 2 MnO 3 aggregated with a primary particle size of 100 nm or less. The specific surface area was 34.3m 2 / g, it was confirmed that the value 32.5 m 2 / g and an equivalent of lithium manganese-based composite oxide fine powder of Example 5 above were obtained.

以上の実施例5及び比較例4における元素分析結果を下記表1に示す。   The elemental analysis results in Example 5 and Comparative Example 4 are shown in Table 1 below.

Figure 0004997609
Figure 0004997609

充放電試験6
上記実施例5および比較例4で得た各複合酸化物を正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジメ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30℃において(電位範囲2.0-4.8V、電流密度42.5mA/g)充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 6
1M solution in which each composite oxide obtained in Example 5 and Comparative Example 4 was used as a positive electrode material, Li metal was used as a negative electrode material, and LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. A coin-type lithium battery was prepared using the electrolyte as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery were examined at the start of charging at 30 ° C. (potential range 2.0-4.8 V, current density 42.5 mA / g).

図22は、実施例5および比較例4の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期充放電特性を示すグラフである。図22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。表11には充放電初期データを示す。   FIG. 22 is a graph showing initial charge / discharge characteristics of lithium batteries using the positive electrode materials of Example 5 and Comparative Example 4. In FIG. 22, a curve that rises to the right corresponds to the charge curve, and a curve that falls to the right corresponds to the discharge curve. Table 11 shows the initial charge / discharge data.

Figure 0004997609
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図22および表11から、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製した実施例5のチタン含有Li2MnO3正極材料を用いた電池は、塩化マンガン(II)をマンガン原料として調製した比較例4のチタン含有Li2MnO3正極材料を用いた電池と比較して、初期放電容量およびエネルギー密度が大きく、充放電効率に優れることが明らかである。From FIG. 22 and Table 11, the battery using the titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 5 prepared using potassium permanganate as the manganese raw material was the same as that of Comparative Example 4 prepared using manganese (II) chloride as the manganese raw material. Compared to a battery using a titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material, it is clear that the initial discharge capacity and energy density are large and the charge and discharge efficiency is excellent.

図23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4の鉄およびチタン含有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. 23 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 titanium-containing Li 2 MnO 3 positive electrode material of Example 4 has a high capacity over all the cycle numbers.

以上の通り、過マンガン酸カリウムをマンガン原料として調製したチタン含有Li2MnO3複合酸化物は、30℃で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マンガン系正極材料として、優れた性能を有することが確認できた。As described above, the titanium-containing Li 2 MnO 3 composite oxide prepared using potassium permanganate as the manganese raw material exhibits excellent charge / discharge characteristics in the charge / discharge test at 30 ° C., and is used for lithium ion secondary batteries. It was confirmed that the lithium manganese-based positive electrode material has excellent performance.

以上の各実施例及び比較例の結果から、本発明の製造方法によって得られたリチウムマンガン系複合酸化物は、60℃という温度範囲において優れた充放電特性を示すだけでなく、30℃においても優れた充放電特性を示すことが見いだせ、リチウムイオン二次電池用正極材料として、優れた性能を有することが確認できた。   From the results of the above examples and comparative examples, the lithium manganese composite oxide obtained by the production method of the present invention not only exhibits excellent charge / discharge characteristics in the temperature range of 60 ° C, but also at 30 ° C. It was found that it exhibited excellent charge / discharge characteristics, and it was confirmed that it had excellent performance as a positive electrode material for lithium ion secondary batteries.

Claims (4)

組成式(1):Li1+x(Mn1-y-zFeyTiz)1-xO2(式中、0<x<1/3, 0≦y≦0.75, 0≦z≦0.75,
0≦y+z<1)で表され、層状岩塩型構造の結晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法であって、
マンガン化合物、鉄化合物及びチタン化合物を、組成式(1)中の元素比と同じ割合で水又は水−アルコール混合物からなる溶媒に溶解してなる原料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リチウム化合物の存在下で焼成する工程を含み、原料として用いるマンガン化合物が過マンガン酸塩をマンガン化合物の全量の20モル%以上含むものであることを特徴とするリチウム−マンガン系複合酸化物の製造方法。
Composition formula (1): Li 1 + x (Mn 1-yz Fe y Ti z ) 1-x O 2 (where 0 <x <1/3, 0 ≦ y ≦ 0.75, 0 ≦ z ≦ 0.75,
A method for producing a lithium manganese based composite oxide represented by 0 ≦ y + z <1) and including a crystal phase of a layered rock salt structure,
It is obtained by forming a precipitate by making a raw material solution obtained by dissolving a manganese compound, an iron compound and a titanium compound in a solvent composed of water or a water-alcohol mixture at the same ratio as the element ratio in the composition formula (1) to be alkaline. And hydrothermally treating the precipitate with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions, and then firing the hydrothermally treated product in the presence of the lithium compound. A method for producing a lithium-manganese composite oxide, comprising a salt containing 20 mol% or more of the total amount of the manganese compound.
リチウムマンガン系複合酸化物が、組成式(2):Li1+x(Mn1−aFe)1−xO2(式中、0<x<1/3, 0.05≦a≦0.75)で表されるものである請求項1に記載の方法。Lithium-manganese composite oxide has the composition formula (2): Li 1 + x (Mn 1−a Fe a ) 1−x O 2 (where 0 <x <1/3, 0.05 ≦ a ≦ 0.75) The method of claim 1, which is represented. 原料として用いるマンガン化合物における過マンガン酸塩の割合が50モル%以上である請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the ratio of permanganate in the manganese compound used as a raw material is 50 mol% or more. 原料として用いるマンガン化合物が、過マンガン酸カリウムである請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the manganese compound used as a raw material is potassium permanganate.
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