JP5078113B2 - リチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウム、リチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウムの製造方法、リチウム二次電池正極活物質及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
下記一般式(1):
LixMnO2 (1)
(式中、0.90≦x≦1.05である。)
で表され、
L*a*b*表色系における、L*値が25.0〜32.0、a*が−1.50〜−0.15、b*が2.50〜8.00であること、
を特徴とするリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウムを提供するものである。
該第一工程を行ない得られるMnOを、酸素濃度が10体積%以上の雰囲気中、525〜950℃で焼成して、Mn2O3を得る第二工程と、
該第二工程を行い得られるMn2O3とリチウム化合物とを、マンガン原子に対するリチウム原子のモル比が0.90〜1.05となるように混合して、反応原料混合物を得、次いで、該反応原料混合物を、酸素濃度が1体積%以下の不活性ガス雰囲気中、600〜950℃で焼成して、マンガン酸リチウムを得る第三工程と、
を有することを特徴とするリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウムの製造方法を提供するものである。
下記一般式(2):
Li(a)M(1−b)A(b)O(c) (2)
(式中、MはCo及びNiから選ばれる1種以上の金属元素を示し、AはMg、Al、Ti、Zr、Fe、Cu、Zn、Sn、In、Ca、Ba、Sr及びMnから選ばれる1種以上の金属元素を示し、0.9≦a≦1.1であり、0≦b≦0.5であり、1.8≦c≦2.2である。)
で表されるリチウム複合酸化物と、
を含有することを特徴とするリチウム二次電池正極活物質を提供するものである。
L*a*b*表色系における、L*値が25.0〜32.0、a*が−1.50〜−0.15、b*が2.50〜8.00である、
リチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウムである。つまり、本発明のマンガン酸リチウムは、リチウム二次電池正極活物質を構成するリチウム二次電池正極副活物質として用いられるマンガン酸リチウムである。
該第一工程を行ない得られるMnOを、酸素濃度が10体積%以上の雰囲気中、525〜950℃で焼成して、Mn2O3を得る第二工程と、
該第二工程を行い得られるMn2O3とリチウム化合物とを、マンガン原子に対するリチウム原子のモル比(Li/Mn)が0.90〜1.05となるように混合して、反応原料混合物を得、次いで、該反応原料混合物を、酸素濃度が1体積%以下の不活性ガス雰囲気中、600〜950℃で焼成して、マンガン酸リチウムを得る第三工程と、
を有する。
(i)第一工程の原料として非塩基性炭酸マンガンを用いること、
(ii)第一工程での焼成の際の雰囲気の酸素濃度を選択すること、
(iii)第一工程での焼成の際の焼成温度を選択すること、
(iv)第二工程での焼成の際の雰囲気の酸素濃度を選択すること、
(v)第二工程での焼成の際の焼成温度を選択すること、
(vi)第三工程に係るリチウム化合物の種類又は純度を選択すること、
(vii)第三工程に係る反応原料混合物中のリチウム原子/マンガン原子のモル比を選択すること、
(viii)第三工程での焼成の際の雰囲気の酸素濃度を選択すること、
(ix)第三工程での焼成の際の焼成温度を選択すること、
が挙げられる。
下記一般式(2):
Li(a)M(1−b)A(b)O(c) (2)
(式中、MはCo及びNiから選ばれる1種以上の金属元素を示し、AはMg、Al、Ti、Zr、Fe、Cu、Zn、Sn、In、Ca、Ba、Sr及びMnから選ばれる1種以上の金属元素を示し、0.9≦a≦1.1であり、0≦b≦0.5であり、1.8≦c≦2.2である。)
で表されるリチウム複合酸化物と、
を含有するリチウム二次電池正極活物質である。つまり、本発明のリチウム二次電池正極活物質は、副活物質として本発明のマンガン酸リチウムを含有し、主活物質として前記一般式(2)で表されるリチウム複合酸化物を含有する。
LixMnO2 (1)
(式中、0.90≦x≦1.05、好ましくは0.95≦x≦1.01である。)
で表され、
L*a*b*表色系における、L*値は、25.0〜32.0、好ましくは26.0〜31.0であり、a*値が−1.50〜−0.15、好ましくは−1.00〜−0.10であり、b*値が2.50〜8.00、好ましくは3.50〜7.00であるリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウムである。そして、本発明のリチウム二次電池正極活物質に含有される本発明のマンガン酸リチウムは、好ましくは、平均粒子径が1〜25μm、特に好ましくは4〜15μmあり、また、好ましくは、BET比表面積が0.2〜2.0m2/g、特に好ましくは0.4〜1.0m2/gであり、また、好ましくは、水に分散させた時の分散液のpHが、12以下、特に好ましくは11.5以下である。
(マンガン酸リチウムの製造)
<炭酸マンガンの焼成>
市販の非塩基性炭酸マンガン(MnCO3、平均粒径8.1μm)を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、550℃で10時間焼成し、焼成物A(MnO)を得た。得られた焼成物Aを、XRD分析により分析し、MnOであることを確認した。
上記のようにして得た焼成物A(MnO)を、大気雰囲気(酸素濃度21.0体積%)中、650℃で10時間焼成し、焼成物B(Mn2O3)を得た。得られた焼成物Bを、XRD分析により分析し、Mn2O3であることを確認した。
上記のようにして得られた焼成物B(Mn2O3)と、Li2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子のモル比(Li/Mn)が、0.99となるように混合し、反応原料混合物C1を得た。次いで、得られた反応原料混合物C1を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、700℃で10時間焼成して、マンガン酸リチウムD1を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD1が、ASTMカード23−361の回折ピークパターンを示す単相のLiMnO2であることを確認した。
<色差測定>
上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD1を、専用のシャーレに充填して、分光式色差計(日本電色社製、SE2000)を用いてL*値、a*値、b*値を3回測定し、その平均値を求めた。その結果を表2に示す。
上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD1の平均粒子径及びBET比表面積を測定した。その結果を表2に示す。
上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD1 5gに対し、純水100gを加え、25℃で5分間攪拌した。更に5分間静置後、上澄み液のpHをpHメーター(堀場製作所社製、F−14)で測定した。その測定結果を表2に示す。
<試験セルの作製>
上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD1 85質量%、黒鉛粉末10質量%、ポリフッ化ビニリデン5質量%を混合して正極合剤とし、これをN−メチル−2−ピロリジノンに分散させて混練ペーストを調製した。得られた混練ペーストを、アルミ箔に塗布したのち乾燥、プレスして直径15mmの円盤に打ち抜いて正極板を得た。
充電はCCCVモード、カットオフ電圧4.25V、2.5mA/cm2の電流密度で、カットオフ電流は1C電流値の1/20とし、放電はCCCVモード、カットオフ電圧3.4V、2.5mA/cm2の電流密度で、カットオフ電流は1C電流の7/200として、初期充電容量、初期放電容量及びCC領域の平均充電電圧を測定した。その結果を表3に示す。
(マンガン酸リチウムの製造)
焼成物Bと、Li2CO3とを、Mn原子に対するLi原子のモル比(Li/Mn)が、0.99となるように混合することに代えて、焼成物Bと、Li2CO3とを、Mn原子に対するLi原子のモル比(Li/Mn)が、表1に示すモル比となるように混合すること、及び得られた反応原料混合物C1を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、700℃で10時間焼成することに代えて、得られた反応原料混合物(C2〜C12)を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、表1に示す焼成温度で10時間焼成すること以外は、実施例1と同様の方法で行い、マンガン酸リチウムD2〜D12を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD2〜12が、いずれも、ASTMカード23−361の回折ピークパターンを示す単相のLiMnO2であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD2〜12とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD2〜12とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
(マンガン酸リチウムの製造)
<炭酸マンガンの焼成>
実施例1と同様の方法で行ない、焼成物Aを得た。
実施例1と同様の方法で行ない、焼成物Bを得た。
上記のようにして得られた焼成物Bと、Li2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子のモル比(Li/Mn)が、0.85となるように混合し、反応原料混合物C13を得た。次いで、得られた反応原料混合物C13を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、750℃で10時間焼成して、マンガン酸リチウムD13を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD13が、ASTMカード23−361の回折ピークパターンを示すLiMnO2と、Mn2O3及びMn3O4の混合物であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD13とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD13とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
(マンガン酸リチウムの製造)
焼成物Bと、Li2CO3とを、Mn原子に対するLi原子のモル比が、0.85となるように混合することに代えて、焼成物Bと、Li2CO3とを、Mn原子に対するLi原子のモル比が、1.10となるように混合すること以外は、比較例1と同様の方法で行い、マンガン酸リチウムD14を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD14が、ASTMカード23−361の回折ピークパターンで示されるLiMnO2と、Li2MnO3及びLi4Mn5O12との混合物であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD14とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD14とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
(マンガン酸リチウムの製造)
<炭酸マンガンの焼成>
実施例1と同様の方法で行ない、焼成物Aを得た。
実施例1と同様の方法で行ない、焼成物Bを得た。
上記のようにして得られた焼成物Bと、Li2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子とのモル比が、1.00となるように混合し、反応原料混合物C15を得た。次いで、得られた反応原料混合物C15を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、1000℃で10時間焼成して、マンガン酸リチウムD15を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD15が、ASTMカード72−0411の回折ピークパターンで示される単相のLiMnO2であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD15とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD15とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
(マンガン酸リチウムの製造)
市販のMnO2(平均粒径3.5μm)とLi2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子とのモル比が、1.00となるように混合し、反応原料混合物C16を得た。次いで、得られた反応原料混合物C16を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、800℃で10時間焼成してマンガン酸リチウムD16を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD16が、ASTMカード72−0411の回折ピークパターンを示す単相のLiMnO2であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD16とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD16とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
市販のMnO2(平均粒径3.5μm)を、大気雰囲気(酸素濃度21.0体積%)中、1000℃で12時間焼成し、焼成物F17(Mn3O4)を得た。次いで、得られた焼成物F17を、大気雰囲気(酸素濃度21.0体積%)中、650℃で10時間焼成し、焼成物G17(Mn2O3)を得た。得られた焼成物G17とLi2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子とのモル比が、1.00となるように混合し、反応原料混合物C17を得た。次いで、得られた反応原料混合物C17を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、750℃で10時間焼成して、マンガン酸リチウムD17を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD17が、ASTMカード23−361の回折ピークパターンを示す単相のLiMnO2であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD17とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD17とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
市販のMnO2(平均粒径3.5μm)を、大気雰囲気(酸素濃度21.0体積%)中、600℃で10時間焼成し、焼成物H18(Mn2O3)を得た。次いで、得られた焼成物H18とLi2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子とのモル比が、1.00となるように混合し、反応原料混合物C18を得た。次いで、得られた反応原料混合物C18を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、800℃で10時間焼成して、マンガン酸リチウムD18を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD18が、ASTMカード23−361の回折ピークパターンを示す単相のLiMnO2であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD18とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD18とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
市販のMnO2(平均粒径3.5μm)を、大気雰囲気(酸素濃度21.0体積%)中、600℃で5時間焼成して、焼成物I19(Mn2O3)を得た。次いで、焼成物I19とLi2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子とのモル比が、1.00となるように混合し、反応原料混合物C19を得た。次いで、得られた反応原料混合物C19をアルミナ坩堝に入れ、空気を1L/分の供給速度でアルミナ坩堝中に供給しながら、200℃/hの昇温速度で600℃まで昇温を行い、次いで、空気を窒素ガスに切り替えて1L/分の供給速度でアルミナ坩堝中に供給しながら200℃/hの昇温速度で800℃まで昇温し、そのまま800℃で10時間保持した。次いで、アルミナ坩堝中に1L/分の供給速度で窒素ガスを導入しながら200℃/hの降温速度で室温まで冷却した。次いで、生成物を粉砕してマンガン酸リチウムD19を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD19が、ASTMカード72−0411の回折ピークパターンを示す単相のLiMnO2であることを確認した。
<色差測定、物性評価及びpH測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD19とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
<試験セルの作製並びに試験セルの初期充電容量、初期放電容量及び平均充電電圧の測定>
実施例1で得られたマンガン酸リチウムD1に代えて、上記のようにして得られたマンガン酸リチウムD19とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を表3に示す。
(リチウム複合酸化物の調製)
Co3O4(平均粒径5μm)40.0gとLi2CO3(平均粒径5μm)8.38gとを秤量し、乾式で十分に混合した後、1000℃で5時間焼成した。焼成後、得られた焼成物を粉砕、分級してコバルト酸リチウムJ(LiCoO2)得た。得られたコバルト酸リチウムJの平均粒子径は7.4μmであり、BET比表面積は0.38m2/gであった。
正極副活物質として表4に示すマンガン酸リチウムと、正極主活物質として上記のようにして得られたコバルト酸リチウムJを、表4に示す配合割合で混合し、正極活物質K20〜24を得た。次いで、正極活物質K20〜24 91質量%、黒鉛粉末6質量%、ポリフッ化ビニリデン3質量%を混合して正極合剤とし、これをN−メチル−2−ピロリジノンに分散させて混練ペーストを調製した。得られた混練ペーストをアルミ箔に塗布した後、乾燥、プレスして、直径15mmの円盤に打ち抜いて正極板を得た。得られた正極板と、セパレーター、負極、集電板、取り付け金具、外部端子、電解液等の各部材を組み合わせて、リチウム二次電池P20〜24を製造した。このうち、負極には人造黒鉛を、集電板には銅を用い、電解液にはエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの1:1混練液1リットルに、LiPF6 1モルを溶解したものを用いた。
上記のようにして製造したリチウム二次電池P20〜24について、25℃において、1CmAの電流で4.2Vまで定電流で充電し、次いで、4.2Vの定電圧で3時間充電した後、1CmAの定電流で3.0Vまで放電したときの放電容量(以下、「過放電試験前放電容量」と記載する。)を測定した。次いで、0Vの定電圧で2日間放置し、過放電を行った。放置後、1CmAの電流で4.2Vまで定電流で充電し、次いで、4.2Vの定電圧で3時間充電した後、1CmAの定電流で3.0Vまで放電したときの放電容量(以下、「過放電試験後放電容量」と記載する。)を測定した。そして、下記式(3):
容量回復率(%)=(過放電試験後放電容量/過放電試験前放電容量)×100 (3)
により、過放電試験前放電容量に対する過放電試験後放電容量の割合を計算し、容量回復率を求めた。その結果を、表4に示す。また、過放電試験後の電池を解体して、負極集電体の銅が正極上に析出しているか否かを観察した。その結果を表4に示す。
(マンガン酸リチウムの製造)
<炭酸マンガンの焼成>
市販の塩基性炭酸マンガン(MnCO3、平均粒径27.0μm)を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、550℃で10時間焼成し、焼成物A20(MnO)を得た。得られた焼成物A20を、XRD分析により分析し、MnOであることを確認した。
上記のようにして得た焼成物A20(MnO)を、大気雰囲気(酸素濃度21.0体積%)中、650℃で10時間焼成し、焼成物B20(Mn2O3)を得た。得られた焼成物B20を、XRD分析により分析し、Mn2O3であることを確認した。
上記のようにして得られた焼成物B20(Mn2O3)と、Li2CO3(平均粒径5μm)とを、Mn原子に対するLi原子のモル比(Li/Mn)が、1.00となるように混合し、反応原料混合物C20を得た。次いで、得られた反応原料混合物C20を、窒素雰囲気(酸素濃度0.01体積%)中、800℃で10時間焼成して、マンガン酸リチウムD20を得た。なお、得られたマンガン酸リチウムD20が、ASTMカード72−0411の回折ピークパターンを示す単相のLiMnO2であることを確認した。
マンガン酸リチウムD1に代えて、マンガン酸リチウムD20とする以外は、実施例1と同様の方法で行なった。その結果を、表2及び表3に示す。
Claims (8)
- MnOを525℃以上で焼成して得られるMn2O3とリチウム化合物とを、Mn2O3中のMn原子に対するリチウム化合物中のLi原子のモル比(Li/Mn)が0.90〜1.05となるように混合して得られる均一混合物を、酸素濃度が1体積%以下の不活性ガス雰囲気中、600℃〜950℃で焼成することにより得られるマンガン酸リチウムであり、
下記一般式(1):
LixMnO2 (1)
(式中、0.90≦x≦1.05である。)
で表され、
L*a*b*表色系における、L*値が25.0〜32.0、a*が−1.50〜−0.15、b*が2.50〜8.00であること、
を特徴とするリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウム。 - 平均粒子径が1〜25μmであることを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウム。
- BET比表面積が0.2〜2.0m2/gであることを特徴とする請求項1又は2いずれか1項記載のリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウム。
- 水に分散させた時の分散液のpHが、12以下であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載のリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウム。
- 非塩基性炭酸マンガンを、酸素濃度が1体積%以下の不活性ガス雰囲気中、500〜800℃で焼成して、MnOを得る第一工程と、
該第一工程を行ない得られるMnOを、酸素濃度が10体積%以上の雰囲気中、525〜950℃で焼成して、Mn2O3を得る第二工程と、
該第二工程を行い得られるMn2O3とリチウム化合物とを、マンガン原子に対するリチウム原子のモル比が0.90〜1.05となるように混合して、反応原料混合物を得、次いで、該反応原料混合物を、酸素濃度が1体積%以下の不活性ガス雰囲気中、600〜950℃で焼成して、マンガン酸リチウムを得る第三工程と、
を有することを特徴とするリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウムの製造方法。 - 請求項1〜4いずれか1項記載のリチウム二次電池正極副活物質用マンガン酸リチウムと、
下記一般式(2):
Li(a)M(1−b)A(b)O(c)(2)
(式中、MはCo及びNiから選ばれる1種以上の金属元素を示し、AはMg、Al、Ti、Zr、Fe、Cu、Zn、Sn、In、Ca、Ba、Sr及びMnから選ばれる1種以上の金属元素を示し、0.9≦a≦1.1であり、0≦b≦0.5であり、1.8≦c≦2.2である。)
で表されるリチウム複合酸化物と、
を含有することを特徴とするリチウム二次電池正極活物質。 - 前記リチウム複合酸化物が、LiCoO2であることを特徴とする請求項6記載のリチウム二次電池正極活物質。
- 請求項6又は7いずれか1項記載のリチウム二次電池正極活物質を、正極活物質として用いて得られることを特徴とするリチウム二次電池。
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