JP5120919B2 - Active material for lithium battery, method for producing the same, and lithium battery using the active material - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム電池用活物質及びその製造方法、並びに電極の構成部材として該活物質を用いたリチウム電池に関する。   The present invention relates to an active material for a lithium battery, a method for producing the same, and a lithium battery using the active material as a constituent member of an electrode.

現在我が国においては、携帯型ゲーム機、カメラ用のアルカリ電池、リチウム電池、或いは、携帯電話、ノートパソコンなどの携帯型電子機器に搭載されているリチウムイオン電池において、多くのマンガン酸化物が電極材料として使用されている。今後、これまでの携帯用電子機器としての需要以外にも、非常用バックアップ電源、分散型電源として、電池の重要性はますます高まっている。   Currently, in Japan, many manganese oxides are used as electrode materials in portable game machines, alkaline batteries for cameras, lithium batteries, or lithium ion batteries mounted on portable electronic devices such as mobile phones and laptop computers. It is used as In the future, in addition to the demand for portable electronic devices so far, the importance of batteries as an emergency backup power source and distributed power source is increasing.

このような電池への適用において重要な点は、放電、或いは充電に際しての、電池の安全性であり、例えばリチウムイオン二次電池へ適用されているスピネル型リチウムマンガン酸化物(LiMn)は、他の電極材料(例えばリチウムコバルト酸化物など)と比べて、安価なマンガンを主成分としており、かつ充電状態での安全性が格段に優れることがよく知られている。 An important point in application to such a battery is the safety of the battery at the time of discharging or charging. For example, spinel type lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) applied to a lithium ion secondary battery. It is well known that, as compared with other electrode materials (for example, lithium cobalt oxide), the main component is inexpensive manganese and the safety in the charged state is remarkably excellent.

しかしながら、結晶構造が不安定なことが原因で、放電終止電圧を2V程度にまで下げて充放電のサイクルを繰り返すと、急速に容量が小さくなることや、50℃以上におけるマンガンの電解液への溶解に起因する顕著な特性劣化という問題点も有しているので、この材料の使用は、予期された程には進展していない。   However, due to the unstable crystal structure, when the end-of-discharge voltage is lowered to about 2 V and the charge / discharge cycle is repeated, the capacity decreases rapidly, and the manganese electrolyte at 50 ° C. or higher The use of this material has not progressed as expected as it also has the problem of significant property degradation due to dissolution.

これまでに、アルカリマンガン酸化物系について、このような電池材料への適用を想定した物質開発が展開されてきた。例えば、ナトリウムマンガン酸化物系については、Na0.20MnO、Na0.40MnO、Na0.44MnO、Na0.70MnO、NaMnOが知られているが(例えば、非特許文献1参照)、いずれも電極材料としては使用されていない。
J.P.Parant,R.Olazcuaga,M.Devalette,C.Fouassier,P.Hagenmuller,J.Solid State Chem.,3,1−11(1971)
Up to now, substance development has been developed for alkali manganese oxide systems assuming application to such battery materials. For example, for sodium manganese oxides, Na 0.20 MnO 2 , Na 0.40 MnO 2 , Na 0.44 MnO 2 , Na 0.70 MnO 2 , NaMnO 2 are known (eg, non- Neither is used as an electrode material.
J. et al. P. Parant, R.A. Olazcuaga, M .; Devalette, C.I. Fouassier, P.A. Hagenmuller, J. et al. Solid State Chem. , 3, 1-11 (1971)

一方、結晶構造の特徴として、カルシウムフェライトCaFe型構造をとるアルカリマンガン複合酸化物NaMn、LiMnが、高温高圧合成法によって、作製可能であることがすでに提案されている。(特許文献1、非特許文献2、3参照)
特願2005−307387 J.Akimoto,J.Awaka,N.Kijima,Y.Takahashi,Y.Maruta,K.Tokiwa,T.Watanabe,J.Solid State Chem.,179,169−174(2006) K.Yamaura,Q.Huang,L.Zhang,K.Takada,Y.Baba,T.Nagai,Y.Matsui,K.Kosuda,E.Takayama−Muromachi,J.Am.Chem.Soc.,128,9448−9456(2006)
On the other hand, it has already been proposed that alkali manganese composite oxides NaMn 2 O 4 and LiMn 2 O 4 having a calcium ferrite CaFe 2 O 4 type structure can be produced by a high-temperature high-pressure synthesis method as a feature of the crystal structure. Yes. (See Patent Document 1, Non-Patent Documents 2 and 3)
Japanese Patent Application No. 2005-307387 J. et al. Akimoto, J. et al. Awaka, N .; Kijima, Y. et al. Takahashi, Y .; Maruta, K.M. Tokiwa, T .; Watanabe, J. et al. Solid State Chem. , 179, 169-174 (2006) K. Yamaura, Q .; Huang, L.H. Zhang, K .; Takada, Y .; Baba, T.A. Nagai, Y .; Matsui, K .; Kosuda, E .; Takayama-Muromachi, J. et al. Am. Chem. Soc. , 128, 9448-9456 (2006)

このカルシウムフェライトCaFe型構造を有するLiMnは、図1に示すように、リチウムイオンが占有した一次元のトンネル構造を有することから、リチウムイオンの結晶構造中の良好な伝導パスが確保されており、また、骨格構造を形成するマンガンの3価−4価の酸化還元反応により、リチウムイオンの脱離挿入反応が可能と考えられた。さらに、リチウムイオンの脱離挿入反応に対して、骨格構造の安定性が高いことが予測されることから、この結晶構造を有するマンガン酸化物は、上記リチウム電池への適用の観点で、有望な材料である。 Since LiMn 2 O 4 having this calcium ferrite CaFe 2 O 4 type structure has a one-dimensional tunnel structure occupied by lithium ions as shown in FIG. 1, it has a good conduction path in the crystal structure of lithium ions. In addition, it was considered that the elimination and insertion reaction of lithium ions was possible by the trivalent to tetravalent oxidation-reduction reaction of manganese forming the skeleton structure. Further, since it is predicted that the skeletal structure has high stability against the lithium ion desorption / insertion reaction, a manganese oxide having this crystal structure is promising from the viewpoint of application to the lithium battery. Material.

しかしながら、公知のカルシウムフェライト型LiMnは、リチウム挿入反応をほとんど起こさず、挿入可能なリチウム量は化学式当たり0.1以下であることから、電池材料としての使用には適さなかった。(非特許文献3参照) However, since the known calcium ferrite type LiMn 2 O 4 hardly causes a lithium insertion reaction and the amount of lithium that can be inserted is 0.1 or less per chemical formula, it is not suitable for use as a battery material. (See Non-Patent Document 3)

したがって、本発明は、上記のような現状の課題を解決し、安価なマンガン酸化物を主成分とし、カルシウムフェライト型構造を基本構造として有する、より安全性の高い、電池特性に優れるリチウム電池用活物質およびその製造方法、並びに電極の構成部材として該活物質を用いたリチウム電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems as described above, and has a safer and superior battery characteristic, which has an inexpensive manganese oxide as a main component and a calcium ferrite structure as a basic structure. An object is to provide an active material, a method for producing the same, and a lithium battery using the active material as a constituent member of an electrode.

本発明者は鋭意検討した結果、カルシウムフェライト型の基本構造をとり、a軸方向に長周期性を有し、リチウムの拡散を容易とするリチウム席欠損を導入したLiMn(0.5≦x≦0.9)で表される化合物が、リチウム電池用活物質として良好な充放電特性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies, the present inventor has obtained a Li x Mn 2 O 4 (0) that has a calcium ferrite type basic structure, has a long periodicity in the a-axis direction, and introduces lithium site defects that facilitate lithium diffusion. .5 ≦ x ≦ 0.9) has been found to have good charge / discharge characteristics as an active material for lithium batteries, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、下記に示す1〜5の構成を採用するものである。
1.LixMn24(組成範囲:0.5≦x≦0.9)なるリチウム欠損型の化学組成式で標記され、結晶構造として斜方晶カルシウムフェライト型構造をとり、a軸方向に長周期性を有する多結晶体からなることを特徴とするリチウム電池用活物質。
2.LixMn24(組成範囲:0.5≦x≦0.9)なるリチウム欠損型の化学組成式で標記され、結晶構造として斜方晶カルシウムフェライト型構造の結晶格子のうち、そのa軸長が0.871nmから0.882nmの範囲であり、かつ、a軸方向に長周期性を有する多結晶体からなることを特徴とするリチウム電池用活物質。
3.リチウム化合物、及びマンガン化合物を含有する混合物を1150〜1250℃の高温と1万〜10万気圧の高圧条件下で加熱することを特徴とする1又は2に記載のリチウム電池用活物質の製造方法。
4.ナトリウム化合物、及びマンガン化合物を含有する混合物を1150〜1250℃の高温と1万〜10万気圧の高圧条件下で加熱し、作製されたナトリウム化合物にイオン交換処理を行うことによって、ナトリウムをリチウムに交換することを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム電池用活物質の製造方法。
5.正極および負極として使用する2つの電極と、電解質からなるリチウム電池において、電極を構成する材料として請求項1又は2に記載のリチウム電池用活物質を用いたことを特徴とするリチウム電池。
なお、本発明において、「a軸方向に長周期性を有する」とは、原子配列の乱れなどによって、基本構造の結晶構造単位を大きくとる必要がある結晶構造の特徴をいう。この特徴は、電子線回折などの逆格子写真においては、基本とするa軸長を3倍、4倍にとるべき弱い超格子反射、或いは格子不整合構造を示すストリーク線などとして観察される。
That is, the present invention employs the configurations 1 to 5 shown below.
1. Li x Mn 2 O 4 (composition range: 0.5 ≦ x ≦ 0.9) is expressed by a lithium-deficient chemical composition formula, and has an orthorhombic calcium ferrite structure as a crystal structure and is long in the a-axis direction. An active material for a lithium battery, comprising a polycrystal having periodicity.
2. Of the crystal lattice of the orthorhombic calcium ferrite type structure, which is expressed by the chemical composition formula of lithium deficiency type Li x Mn 2 O 4 (composition range: 0.5 ≦ x ≦ 0.9), a An active material for a lithium battery, characterized by comprising a polycrystalline body having an axial length in the range of 0.871 nm to 0.882 nm and having a long periodicity in the a-axis direction.
3. 3. The method for producing an active material for a lithium battery according to 1 or 2, wherein a mixture containing a lithium compound and a manganese compound is heated under a high temperature of 1150 to 1250 ° C. and a high pressure of 10,000 to 100,000 atm. .
4). A mixture containing a sodium compound and a manganese compound is heated under a high temperature of 1150 to 1250 ° C. and a high pressure of 10,000 to 100,000 atmospheres, and the resulting sodium compound is subjected to an ion exchange treatment, whereby sodium is converted into lithium. The method for producing an active material for a lithium battery according to claim 1, wherein the material is exchanged.
5). A lithium battery comprising two electrodes used as a positive electrode and a negative electrode and an electrolyte, wherein the lithium battery active material according to claim 1 or 2 is used as a material constituting the electrode.
In the present invention, “having long periodicity in the a-axis direction” means a characteristic of a crystal structure in which a large crystal structure unit of the basic structure is required due to disorder of atomic arrangement or the like. This feature is observed in a reciprocal lattice photograph such as electron beam diffraction as a weak superlattice reflection in which the basic a-axis length should be tripled or quadrupled, or a streak line indicating a lattice mismatch structure.

本発明によれば、カルシウムフェライト型構造を基本構造としa軸方向に長周期性を有する、安全性が高く充放電特性に優れたリチウム欠損型のLiMnリチウム電池用活物質が製造可能となった。そして、この活物質を電極材料として使用することによって、優れた特性を有するリチウム電池を実現することが可能となった。 According to the present invention, there is provided a lithium-deficient Li x Mn 2 O 4 lithium battery active material having a calcium ferrite type structure as a basic structure and having a long periodicity in the a-axis direction and having high safety and excellent charge / discharge characteristics. Manufacturable. And it became possible to implement | achieve the lithium battery which has the outstanding characteristic by using this active material as an electrode material.

本発明のリチウム電池用活物質は、カルシウムフェライト型の基本構造を有し、リチウムの拡散を容易とするリチウム席欠損を導入したLiMn(0.5≦x≦0.9)なる化学組成であることを特徴とする材料である。
また、上記LiMnの好ましい結晶構造は、斜方晶系の格子定数のうち、a軸長が0.871nmから0.882nmの範囲にあり、かつ長周期性を有することを特徴とする。
本発明のLiMn活物質は、リチウム欠損となるように混合したリチウム化合物、及びマンガン化合物を含有する混合物を800〜1400℃の高温と1万〜10万気圧の高圧条件下で加熱することにより製造することができる。また、ナトリウム化合物、及びマンガン化合物を含有する混合物を800〜1400℃の高温と1万〜10万気圧の高圧条件下で加熱し、作製されたナトリウム化合物NaMnにイオン交換処理を行うことによって、ナトリウムをリチウムに交換することによっても製造することができる。
特に、リチウム席欠損を導入し、長周期性を有する材料の合成条件としては、合成温度が1150〜1250℃の高温であることが好ましい。合成温度が1150℃よりも低い場合には、リチウム欠損が導入されにくく、その場合には長周期性を持たない、公知のLiMnが合成されてしまう。
The active material for a lithium battery of the present invention has a calcium ferrite type basic structure, and Li x Mn 2 O 4 (0.5 ≦ x ≦ 0.9) into which lithium site defects that facilitate lithium diffusion are introduced. It is the material characterized by having a chemical composition.
The preferred crystal structure of Li x Mn 2 O 4 is characterized in that, among the orthorhombic lattice constants, the a-axis length is in the range of 0.871 nm to 0.882 nm and has a long periodicity. And
The Li x Mn 2 O 4 active material of the present invention is a mixture containing a lithium compound and a manganese compound mixed so as to be lithium deficient under a high temperature of 800 to 1400 ° C. and a high pressure of 10,000 to 100,000 atmospheres. It can be manufactured by heating. In addition, a mixture containing a sodium compound and a manganese compound is heated under a high temperature of 800 to 1400 ° C. and a high pressure of 10,000 to 100,000 atmospheres, and the produced sodium compound NaMn 2 O 4 is subjected to an ion exchange treatment. Can also be produced by exchanging sodium for lithium.
In particular, as a condition for synthesizing a material having a lithium periodic defect and having a long period, the synthesis temperature is preferably a high temperature of 1150 to 1250 ° C. When the synthesis temperature is lower than 1150 ° C., lithium deficiency is difficult to be introduced, and in this case, a known LiMn 2 O 4 having no long periodicity is synthesized.

本発明のリチウム電池用活物質を含有する電極を構成部材として用いたリチウム電池は、高容量で、かつ可逆的なリチウム挿入・脱離反応が可能であり、高い信頼性が期待できる電池である。   A lithium battery using an electrode containing an active material for a lithium battery of the present invention as a constituent member is a battery that has a high capacity and is capable of a reversible lithium insertion / extraction reaction and can be expected to have high reliability. .

以下、本発明のリチウム電池用活物質の製造方法についてさらに詳しく説明する。
(高圧合成法によるLiMn活物質の合成)
本発明のうち、LiMn活物質は、リチウム及びリチウム化合物の少なくとも1種、マンガン及びマンガン化合物の少なくとも1種、からなる混合物を高温・高圧条件下で焼成することによって製造することができる。
Hereafter, the manufacturing method of the active material for lithium batteries of this invention is demonstrated in more detail.
(Synthesis of Li x Mn 2 O 4 active material by high-pressure synthesis method)
Of the present invention, the Li x Mn 2 O 4 active material is produced by firing a mixture of at least one of lithium and a lithium compound and at least one of manganese and a manganese compound under high temperature and high pressure conditions. Can do.

リチウム原料としては、リチウム(金属リチウム)およびリチウム化合物の少なくとも1種を用いる。リチウム化合物としては、リチウムを含有するものであれば特に制限されず、例えばLiO、Li等の酸化物、LiCO、LiNO等の塩類、LiOHなどの水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特に酸化物LiO等が好ましい。 As the lithium raw material, at least one of lithium (metallic lithium) and a lithium compound is used. The lithium compound is not particularly limited as long as it contains lithium. For example, oxides such as Li 2 O and Li 2 O 2 , salts such as Li 2 CO 3 and LiNO 3 , hydroxides such as LiOH, and the like Is mentioned. Among these, the oxide Li 2 O is particularly preferable.

マンガン原料としては、マンガン(金属マンガン)及びマンガン化合物の少なくとも1種を用いる。マンガン化合物としては、マンガンを含有するものであれば特に制限されず、例えばMn、Mn、MnO等の酸化物、MnCO、MnCl等の塩類、Mn(OH)等の水酸化物、MnOOH等の酸化水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特にMn、Mn、MnO等が好ましい。 As the manganese raw material, at least one of manganese (metallic manganese) and a manganese compound is used. The manganese compound is not particularly limited as long as it contains manganese. For example, oxides such as Mn 3 O 4 , Mn 2 O 3 and MnO 2 , salts such as MnCO 3 and MnCl 2 , Mn (OH) 2 And hydroxides such as MnOOH and the like. Among these, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , MnO 2 and the like are particularly preferable.

はじめに、これらを含む混合物を調製する。リチウム原料とマンガン原料の混合割合は、前記カルシウムフェライト型構造が生成し、かつリチウム席が欠損するような割合で混合することが好ましい。具体的には、LiMnの化学組成式でxが0.9以下となるようにすれば良い。例えば、リチウム量xが0.5〜0.9程度、好ましくは0.6〜0.8となるように混合すればよい。 First, a mixture containing these is prepared. The mixing ratio of the lithium raw material and the manganese raw material is preferably such that the calcium ferrite type structure is generated and the lithium site is lost. Specifically, the chemical composition formula of Li x Mn 2 O 4 may be such that x is 0.9 or less. For example, mixing may be performed so that the lithium amount x is about 0.5 to 0.9, preferably 0.6 to 0.8.

また、混合方法は、これらを均一に混合できる限り特に限定されず、例えばミキサー等の公知の混合機を用いて混合すれば良い。   The mixing method is not particularly limited as long as they can be mixed uniformly, and may be mixed using a known mixer such as a mixer.

次いで、混合物を高温・高圧条件下で焼成する。焼成温度は、混合物の組成等に応じて適宜設定することができるが、通常は800〜1400℃程度、好ましくは1150〜1250℃とすればよい。また、焼成圧力は、1万気圧以上10万気圧以下、好ましくは3万気圧から8万気圧、より好ましくは4万気圧から5万気圧とすればよい。焼成時間は、焼成温度等に応じて適宜変更することができる。例えば、焼成温度が1150〜1250℃の場合、好ましくは1〜10時間である。冷却方法は特に限定されないが、通常は自然放冷(急冷)又は徐冷すれば良い。   The mixture is then fired under high temperature and high pressure conditions. The firing temperature can be appropriately set according to the composition of the mixture, but is usually about 800 to 1400 ° C, preferably 1150 to 1250 ° C. The firing pressure may be 10,000 to 100,000 atmospheres, preferably 30,000 to 80,000 atmospheres, more preferably 40,000 to 50,000 atmospheres. The firing time can be appropriately changed according to the firing temperature and the like. For example, when the firing temperature is 1150 to 1250 ° C., it is preferably 1 to 10 hours. Although the cooling method is not particularly limited, it may be naturally cooled (rapid cooling) or gradually cooled.

焼成後は、必要に応じて焼成物を公知の方法で粉砕すれば良い。   After firing, the fired product may be pulverized by a known method as necessary.

(イオン交換合成法によるLiMn活物質の合成)
本発明のうち、LiMn活物質は、高圧合成法により作製されたNaMnを出発原料として、ナトリウムをリチウムとイオン交換する方法によっても、製造することができる。通常、このようなイオン交換合成法の場合、交換反応の条件によっては、ナトリウムが残留してしまうことが知られている。すなわち、この製造方法によるLiMn活物質の厳密な化学組成としては、LiNaMn(0.5≦x≦0.9、0≦y≦0.4、x+y≦0.9)と標記することができる。
(Synthesis of Li x Mn 2 O 4 active material by ion exchange synthesis method)
Of the present invention, the Li x Mn 2 O 4 active material can also be produced by a method in which sodium is ion-exchanged with lithium using NaMn 2 O 4 produced by a high-pressure synthesis method as a starting material. In general, in such an ion exchange synthesis method, it is known that sodium remains depending on the conditions of the exchange reaction. That is, the exact chemical composition of the Li x Mn 2 O 4 active material produced by this production method is Li x Na y Mn 2 O 4 (0.5 ≦ x ≦ 0.9, 0 ≦ y ≦ 0.4, x + y ≦ 0.9).

出発原料となるNaMnは、ナトリウム及びナトリウム化合物の少なくとも1種、マンガン及びマンガン化合物の少なくとも1種、からなる混合物を高温・高圧条件下で焼成することによって製造することができる。 NaMn 2 O 4 as a starting material can be produced by firing a mixture of at least one of sodium and a sodium compound and at least one of manganese and a manganese compound under high temperature and high pressure conditions.

ナトリウム原料としては、ナトリウム(金属ナトリウム)およびナトリウム化合物の少なくとも1種を用いる。ナトリウム化合物としては、ナトリウムを含有するものであれば特に制限されず、例えばNaO、Na等の酸化物、NaCO、NaNO等の塩類、NaOHなどの水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特に過酸化物Na等が好ましい。 As the sodium raw material, at least one of sodium (metallic sodium) and a sodium compound is used. The sodium compound is not particularly limited as long as it contains sodium. For example, oxides such as Na 2 O and Na 2 O 2 , salts such as Na 2 CO 3 and NaNO 3 , hydroxides such as NaOH, etc. Is mentioned. Among these, peroxide Na 2 O 2 and the like are particularly preferable.

マンガン原料としては、マンガン(金属マンガン)及びマンガン化合物の少なくとも1種を用いる。マンガン化合物としては、マンガンを含有するものであれば特に制限されず、例えばMn、Mn、MnO等の酸化物、MnCO、MnCl等の塩類、Mn(OH)等の水酸化物、MnOOH等の酸化水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特にMn、Mn、MnO等が好ましい。 As the manganese raw material, at least one of manganese (metallic manganese) and a manganese compound is used. The manganese compound is not particularly limited as long as it contains manganese. For example, oxides such as Mn 3 O 4 , Mn 2 O 3 and MnO 2 , salts such as MnCO 3 and MnCl 2 , Mn (OH) 2 And hydroxides such as MnOOH and the like. Among these, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , MnO 2 and the like are particularly preferable.

はじめに、これらを含む混合物を調製する。ナトリウム原料とマンガン原料の混合割合は、前記カルシウムフェライト型構造が生成するような割合で混合することが好ましい。具体的には、NaMn(x=1)の化学組成となるようにすれば良い。例えば、ナトリウム量xが0.5〜2程度、好ましくは0.8〜1.5となるように混合すればよい。 First, a mixture containing these is prepared. It is preferable to mix the sodium raw material and the manganese raw material in such a ratio that the calcium ferrite type structure is formed. Specifically, the chemical composition may be Na x Mn 2 O 4 (x = 1). For example, mixing may be performed so that the amount of sodium x is about 0.5 to 2, preferably 0.8 to 1.5.

また、混合方法は、これらを均一に混合できる限り特に限定されず、例えばミキサー等の公知の混合機を用いて混合すれば良い。   The mixing method is not particularly limited as long as they can be mixed uniformly, and may be mixed using a known mixer such as a mixer.

次いで、混合物を高温・高圧条件下で焼成する。焼成温度は、混合物の組成等に応じて適宜設定することができるが、通常は800〜1400℃程度、好ましくは1150〜1250℃とすればよい。また、焼成圧力は、1万気圧以上10万気圧以下、好ましくは3万気圧から8万気圧、より好ましくは4万気圧から5万気圧とすればよい。焼成時間は、焼成温度等に応じて適宜変更することができる。例えば、焼成温度が1150〜1250℃の場合、好ましくは1〜10時間である。冷却方法は特に限定されないが、通常は自然放冷(急冷)又は徐冷すれば良い。   The mixture is then fired under high temperature and high pressure conditions. The firing temperature can be appropriately set according to the composition of the mixture, but is usually about 800 to 1400 ° C, preferably 1150 to 1250 ° C. The firing pressure may be 10,000 to 100,000 atmospheres, preferably 30,000 to 80,000 atmospheres, more preferably 40,000 to 50,000 atmospheres. The firing time can be appropriately changed according to the firing temperature and the like. For example, when the firing temperature is 1150 to 1250 ° C., it is preferably 1 to 10 hours. Although the cooling method is not particularly limited, it may be naturally cooled (rapid cooling) or gradually cooled.

焼成後は、必要に応じて焼成物を公知の方法で粉砕すれば良い。   After firing, the fired product may be pulverized by a known method as necessary.

次いで、焼成されたNaMnに、リチウム化合物を含む溶融塩中で、或いは有機溶剤または水溶液中でイオン交換処理を施すことにより、カルシウムフェライト型の結晶構造を有し、ナトリウムがリチウムに交換され、かつ、リチウムが一部欠損した化学組成式LiMnで表される化合物が得られる。 Next, the calcined NaMn 2 O 4 is subjected to an ion exchange treatment in a molten salt containing a lithium compound, or in an organic solvent or an aqueous solution, so that it has a calcium ferrite type crystal structure, and sodium is exchanged for lithium. And a compound represented by the chemical composition formula Li x Mn 2 O 4 partially lacking lithium is obtained.

この場合に、リチウム含有化合物を含む溶融塩中において、粉砕されたNaMnを分散させながら、イオン交換処理を施すことが好適である。溶融塩としては、硝酸リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム等の低温で溶融する塩類のうちで、いずれか1種以上を含む溶融塩を用いることができる。好ましい方法としては、リチウム化合物とNaMn焼成物の粉末をよく混合しておく。混合比は、通常、溶融塩中のLi/NaMn中のNaのモル比で2〜40、好ましくは10〜30である。 In this case, it is preferable to perform the ion exchange treatment while dispersing the pulverized NaMn 2 O 4 in the molten salt containing the lithium-containing compound. As the molten salt, a molten salt containing any one or more of salts that melt at a low temperature such as lithium nitrate, lithium chloride, lithium bromide, and lithium iodide can be used. As a preferred method, a lithium compound and NaMn 2 O 4 fired powder are mixed well. The mixing ratio is usually 2 to 40, preferably 10 to 30, in terms of the molar ratio of Na in Li / NaMn 2 O 4 in the molten salt.

イオン交換の温度は、200℃〜400℃、好ましくは330〜380℃である。イオン交換の温度が330℃よりも低い場合は、リチウム席欠損を導入することが困難となる。一方、イオン交換温度が380℃よりも高い場合は、一部がスピネル構造に変化するために、均一な結晶構造を得ることができない。処理時間としては、通常2〜20時間、好ましくは5〜15時間である。   The temperature of ion exchange is 200 ° C to 400 ° C, preferably 330 to 380 ° C. When the ion exchange temperature is lower than 330 ° C., it is difficult to introduce lithium site defects. On the other hand, when the ion exchange temperature is higher than 380 ° C., a part of the ion exchange temperature changes to a spinel structure, so that a uniform crystal structure cannot be obtained. The treatment time is usually 2 to 20 hours, preferably 5 to 15 hours.

さらに、イオン交換処理の方法として、リチウム化合物を溶解した有機溶剤または水溶液中で処理する方法も適する。この場合、リチウム含有化合物を溶解させた有機溶剤中に、粉砕されたNaMnを投入し、その有機溶剤の沸点以下の温度で処理する。イオン交換速度を高めるため、有機溶剤の沸点付近で、溶媒を還流させながら、イオン交換することが好ましい。処理温度は通常100℃〜200℃、好ましくは140℃〜180℃で処理される。また、処理時間は、特に制限されないが、低温であると反応時間が必要であることから、通常5〜50時間、好ましくは10〜20時間である。 Furthermore, as a method of ion exchange treatment, a method of treating in an organic solvent or an aqueous solution in which a lithium compound is dissolved is also suitable. In this case, crushed NaMn 2 O 4 is put into an organic solvent in which a lithium-containing compound is dissolved, and the treatment is performed at a temperature equal to or lower than the boiling point of the organic solvent. In order to increase the ion exchange rate, it is preferable to perform ion exchange while refluxing the solvent near the boiling point of the organic solvent. The treatment temperature is usually 100 ° C to 200 ° C, preferably 140 ° C to 180 ° C. Further, the treatment time is not particularly limited, but it is usually 5 to 50 hours, preferably 10 to 20 hours, because a reaction time is required at a low temperature.

本発明に用いられるリチウム含有化合物としては、炭酸塩、酢酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、ハロゲン化物、ブチルリチウム等が好ましく、これらは単独または必要に応じて2種以上を組み合わせて用いられる。また、本発明に用いられる有機溶剤としては、ヘキサノール、エトキシエタノール等の高級アルコール、ジエチレングルコールモノエチルエーテル等のエーテル、もしくは沸点が140℃以上の有機溶剤が、作業性が良好である点で好ましい。これらは単独または必要に応じて2種以上組み合わせて用いられる。   As the lithium-containing compound used in the present invention, carbonates, acetates, nitrates, oxalates, halides, butyllithium and the like are preferable, and these may be used alone or in combination of two or more as required. Further, as the organic solvent used in the present invention, higher alcohols such as hexanol and ethoxyethanol, ethers such as diethylene glycol monoethyl ether, or organic solvents having a boiling point of 140 ° C. or higher are good in workability. preferable. These may be used alone or in combination of two or more as required.

有機溶剤または水溶液中におけるリチウム含有化合物の濃度は、通常3〜10モル%、好ましくは4〜6モル%である。また、有機溶剤または水溶液中でのNaMnの分散濃度は、特に制限されないが、操作性及び経済性の観点から1〜20重量%が好ましい。 The density | concentration of the lithium containing compound in an organic solvent or aqueous solution is 3-10 mol% normally, Preferably it is 4-6 mol%. The dispersion concentration of NaMn 2 O 4 in the organic solvent or aqueous solution is not particularly limited, but is preferably 1 to 20% by weight from the viewpoints of operability and economy.

イオン交換処理の後、得られた生成物を、蒸留水でよく洗浄した後、メタノール、エタノールで洗浄後、乾燥させることによって、目的とするLiMnが得られる。洗浄方法、乾燥方法については、特に制限されず、通常の方法が用いられる他、デシケーター内における自然乾燥でも良い。 After the ion exchange treatment, the obtained product is thoroughly washed with distilled water, then washed with methanol and ethanol, and dried to obtain the intended Li x Mn 2 O 4 . The washing method and the drying method are not particularly limited, and a normal method may be used, or natural drying in a desiccator may be used.

(リチウム電池)
本発明のリチウム二次電池は、前記LiMn活物質を含有する電極を構成部材として用いるものである。すなわち、電極材料のひとつに本発明のLiMn活物質を用いる以外は、公知のリチウム電池(コイン型、ボタン型、円筒型、全固体型等)の電池要素をそのまま採用することができる。
図2は、本発明のリチウム電池を、コイン型二次電池に適用した1例を示す模式図である。このコイン型二次電池1は、負極端子2、負極3、(セパレータ+電解液)4、絶縁パッキング5、正極6、正極缶7により構成される。
(Lithium battery)
The lithium secondary battery of the present invention uses an electrode containing the Li x Mn 2 O 4 active material as a constituent member. That is, a battery element of a known lithium battery (coin type, button type, cylindrical type, all solid type, etc.) is employed as it is except that the Li x Mn 2 O 4 active material of the present invention is used as one of electrode materials. Can do.
FIG. 2 is a schematic view showing an example in which the lithium battery of the present invention is applied to a coin-type secondary battery. The coin-type secondary battery 1 includes a negative electrode terminal 2, a negative electrode 3, a (separator + electrolyte) 4, an insulating packing 5, a positive electrode 6, and a positive electrode can 7.

本発明では、上記本発明のLiMn活物質に、必要に応じて導電剤、結着剤等を配合して電極合材を調製し、これを集電体に圧着することにより電極が作製できる。集電体としては、好ましくはステンレスメッシュ、アルミ箔等を用いることができる。導電剤としては、好ましくはアセチレンブラック、ケッチェンブラック等を用いることができる。結着剤としては、好ましくはテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等を用いることができる。 In the present invention, the Li x Mn 2 O 4 active material of the present invention is mixed with a conductive agent, a binder or the like as necessary to prepare an electrode mixture, and this is crimped to a current collector. An electrode can be produced. As the current collector, a stainless mesh, aluminum foil or the like can be preferably used. As the conductive agent, acetylene black, ketjen black or the like can be preferably used. As the binder, tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or the like can be preferably used.

電極合材におけるLiMn活物質、導電剤、結着剤等の配合も特に限定的ではないが、通常は導電剤が1〜30重量%程度(好ましくは5〜25重量%)、結着剤が0〜30重量%(好ましくは3〜10重量%)とし、残部をLiMn活物質となるようにすればよい。 The composition of the Li x Mn 2 O 4 active material, the conductive agent, the binder and the like in the electrode mixture is not particularly limited, but usually the conductive agent is about 1 to 30% by weight (preferably 5 to 25% by weight). The binder may be 0 to 30% by weight (preferably 3 to 10% by weight), and the remainder may be a Li x Mn 2 O 4 active material.

本発明のリチウム電池において、上記電極に対する対極としては、例えば金属リチウム、リチウム合金など、リチウムを吸蔵している公知のものを採用することができる。   In the lithium battery of the present invention, as the counter electrode with respect to the electrode, for example, a known lithium-occlusion material such as metal lithium or lithium alloy can be employed.

また、本発明のリチウム電池において、セパレータ、電池容器等も公知の電池要素を採用すればよい。   In the lithium battery of the present invention, a known battery element may be adopted for the separator, the battery container, and the like.

さらに、電解質としても公知の電解液、固体電解質等が適用できる。例えば、電解液としては、過塩素酸リチウム、6フッ化リン酸リチウム等の電解質を、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の溶媒に溶解させたものが使用できる。   Furthermore, known electrolyte solutions, solid electrolytes, and the like can be applied as the electrolyte. For example, as an electrolytic solution, an electrolyte such as lithium perchlorate or lithium hexafluorophosphate is used in a solvent such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), propylene carbonate (PC), or diethyl carbonate (DEC). What was dissolved can be used.

以下に、実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にするが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Examples will be shown below to clarify the features of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
(高圧合成法によるLiMn活物質の製造)
純度97%以上の酸化リチウム(LiO)粉末、および純度99.9%以上の酸化マンガン(MnOおよびMnの混合物)粉末をモル比で0.75:2の割合で、アルゴンガス置換されたグローブボックス中で均一に混合した。混合物を金カプセル中につめ、キュービックアンビル型高圧合成装置を使用して4.5万気圧、1200℃の温度圧力条件下で5時間保持することによって、合成を行い、LiMnを得ることができた。
[Example 1]
(Production of Li x Mn 2 O 4 active material by high-pressure synthesis method)
Lithium oxide (Li 2 O) powder having a purity of 97% or more and manganese oxide (mixture of MnO 2 and Mn 2 O 3 ) powder having a purity of 99.9% or more in a molar ratio of 0.75: 2. Mix uniformly in a gas-substituted glove box. The mixture was packed in a gold capsule and synthesized by holding it for 5 hours under a temperature and pressure condition of 45,000 atm and 1200 ° C. using a cubic anvil type high pressure synthesizer, and Li x Mn 2 O 4 was obtained. I was able to get it.

得られた黒色の多結晶体試料について、ICP発光分析法(パーキンエルマージャパン製、商品名Optima3000)により化学組成を分析したところ、Li0.69Mnの化学式であることが確認された。さらに、X線粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造のほぼ単一相であることが明らかとなった。このLi0.69Mnの粉末X線回折図形を図3に示す。また、結晶構造解析から精密化された格子定数は、以下の値となり、公知のLiMnの値(0.88336nm)と比べ、a軸長が明らかに短く、リチウム欠損の有無による違いと考えられる。
a=0.88075nm(誤差±0.00009nm)
b=0.28359nm(誤差±0.00003nm)
c=1.06526nm(誤差±0.00011nm)
When the chemical composition of the obtained black polycrystalline sample was analyzed by ICP emission analysis (trade name Optima 3000, manufactured by PerkinElmer Japan), it was confirmed that the chemical formula was Li 0.69 Mn 2 O 4 . . Furthermore, the X-ray powder X-ray diffractometer (trade name RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku) clearly shows that the crystal structure of the orthorhombic system and the space group Pnma is almost single phase with good crystallinity. became. The powder X-ray diffraction pattern of this Li 0.69 Mn 2 O 4 is shown in FIG. In addition, the refined lattice constant from the crystal structure analysis is as follows, and the a-axis length is clearly shorter than the known LiMn 2 O 4 value (0.883336 nm), and the difference due to the presence or absence of lithium deficiency. Conceivable.
a = 0.80875 nm (error ± 0.00009 nm)
b = 0.28359 nm (error ± 0.00003 nm)
c = 1.06526 nm (error ± 0.00011 nm)

また、電界放射型電子顕微鏡(日本電子株式会社製、商品名JEM−2010F)により、加速電圧200kVで、本Li0.69Mn試料の電子線回折像を撮影したところ、図4に示すように、a軸方向へ3倍周期の長周期性を示す弱い超格子反射が観測された。 The field emission electron microscope (JEOL Ltd., trade name JEM-2010F) by, at an acceleration voltage 200 kV, it was taken the Li 0.69 Mn 2 O 4 electron diffraction image of the sample, in FIG. 4 As shown, a weak superlattice reflection having a long periodicity of 3 times in the a-axis direction was observed.

(リチウム電池)
このようにして得られたLiMn活物質に、導電剤としてアセチレンブラック、結着剤としてテトラフルオロエチレンを、重量比80:15:5となるように配合して電極を作製し、対極にリチウム金属を用いて、6フッ化リン酸リチウムをエチレンカーボネート(EC)とヂエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(体積比1:1)に溶解させた1M溶液を電解液とする、図2に示す構造のリチウム電池(コイン型二次電池)を作製し、その充放電特性を試験した。電池の作製は、公知のセルの構成・組み立て方法に従って行った。
(Lithium battery)
Thus the Li x Mn 2 O 4 active material obtained, acetylene black as a conductive agent, a tetrafluoroethylene as a binder, the weight ratio 80: 15: was blended so that 5 the electrode prepared 1M solution in which lithium hexafluorophosphate was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (volume ratio 1: 1) using lithium metal as a counter electrode was used as an electrolytic solution. A lithium battery (coin-type secondary battery) having the structure shown in FIG. 2 was produced and its charge / discharge characteristics were tested. The battery was produced according to a known cell configuration / assembly method.

作製されたリチウム電池について、25℃の温度条件下で、電流密度10mA/g、カットオフ電位4.8−1.0Vで充放電試験を行ったところ、初期放電容量144mAh/g程度で、2.8V付近に放電平坦部を有し、かつ、可逆的に充放電可能であることが判明した。充放電に伴う電圧変化を、図5に示す。このことから、リチウム欠損を導入したカルシウムフェライト型のLiMnが、電池材料として優れたものであることが明らかとなった。 The manufactured lithium battery was subjected to a charge / discharge test at a current density of 10 mA / g and a cut-off potential of 4.8-1.0 V under a temperature condition of 25 ° C., and an initial discharge capacity of about 144 mAh / g was 2 It has been found that a flat discharge portion is provided in the vicinity of .8 V and that charge and discharge can be performed reversibly. The voltage change accompanying charging / discharging is shown in FIG. From this, it was revealed that calcium ferrite type Li x Mn 2 O 4 into which lithium deficiency was introduced was excellent as a battery material.

[実施例2]
(イオン交換合成法によるLiMn活物質の製造)
純度97%以上の過酸化ナトリウム(Na)粉末、および純度99.9%以上の酸化マンガン(MnOおよびMnの混合物)粉末をモル比で1:2の割合で、アルゴンガス置換されたグローブボックス中で均一に混合した。混合物を金カプセル中につめ、キュービックアンビル型高圧合成装置を使用して4.5万気圧、1200℃の温度圧力条件下で5時間保持することによって、合成を行い、出発物質であるNaMnを得ることができた。
[Example 2]
(Production of Li x Mn 2 O 4 Active Material by Ion Exchange Synthesis Method)
Sodium peroxide (Na 2 O 2 ) powder having a purity of 97% or more and manganese oxide (mixture of MnO 2 and Mn 2 O 3 ) powder having a purity of 99.9% or more in a molar ratio of 1: 2 Mix uniformly in a gas-substituted glove box. The mixture was filled in a gold capsule and synthesized using a cubic anvil type high pressure synthesizer by holding it at 45,000 atm and 1200 ° C. for 5 hours under the conditions of NaMn 2 O as a starting material. 4 could be obtained.

得られた黒色の多結晶体試料について、ICP発光分析法(パーキンエルマージャパン製、商品名Optima3000)により化学組成を分析したところ、NaMnの化学式であることが確認された。さらに、X線粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造のほぼ単一相であることが明らかとなった。また、結晶構造解析から精密化された格子定数は、以下の値となり、公知のNaMnの値と良く一致していた。
a=0.88714nm(誤差±0.00004nm)
b=0.28436nm(誤差±0.00002nm)
c=1.12382nm(誤差±0.00008nm)
When the chemical composition of the obtained black polycrystalline sample was analyzed by ICP emission analysis (manufactured by PerkinElmer Japan, trade name Optima 3000), it was confirmed that the chemical formula was NaMn 2 O 4 . Furthermore, the X-ray powder X-ray diffractometer (trade name RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku) clearly shows that the crystal structure of the orthorhombic system and the space group Pnma is almost single phase with good crystallinity. became. In addition, the lattice constant refined from the crystal structure analysis was the following value, which was in good agreement with the known NaMn 2 O 4 value.
a = 0.88714 nm (error ± 0.00004 nm)
b = 0.28436 nm (error ± 0.00002 nm)
c = 1.12382 nm (error ± 0.00008 nm)

次に、NaMn粉体試料を、重量比で試料の約60倍量の硝酸リチウム(純度99%以上)と混合し、アルミナ製るつぼに入れ、空気中360℃で10時間加熱処理を行うことによって、イオン交換を行った。 Next, a NaMn 2 O 4 powder sample is mixed with lithium nitrate (purity 99% or more) of about 60 times the weight ratio of the sample, placed in an alumina crucible, and heat-treated at 360 ° C. for 10 hours in air. By performing, ion exchange was performed.

イオン交換後、純水で洗浄・乾燥を行い、目的とするLiMnを得ることができた。 After ion exchange, washing with pure water and drying were performed, and the target Li x Mn 2 O 4 could be obtained.

得られた黒色の多結晶体試料について、ICP発光分析法(パーキンエルマージャパン製、商品名Optima3000)により化学組成を分析したところ、Li0.81Mnの化学式であることが確認された。また残留したナトリウム量は、0.02wt%以下であった。さらに、X線粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造のほぼ単一相であることが明らかとなった。このLi0.81Mnの粉末X線回折図形を図6に示す。また、結晶構造解析から精密化された格子定数は、以下の値となり、公知のLiMnの値(0.88336nm)と比べ、a軸長が明らかに短く、リチウム欠損の有無による違いと考えられる。
a=0.87276nm(誤差±0.00003nm)
b=0.28333nm(誤差±0.00001nm)
c=1.05392nm(誤差±0.00004nm)
When the chemical composition of the obtained black polycrystalline sample was analyzed by ICP emission analysis (trade name Optima 3000, manufactured by PerkinElmer Japan), it was confirmed that the chemical formula was Li 0.81 Mn 2 O 4 . . The amount of sodium remaining was 0.02 wt% or less. Furthermore, the X-ray powder X-ray diffractometer (trade name RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku) clearly shows that the crystal structure of the orthorhombic system and the space group Pnma is almost single phase with good crystallinity. became. The powder X-ray diffraction pattern of this Li 0.81 Mn 2 O 4 is shown in FIG. In addition, the refined lattice constant from the crystal structure analysis is as follows, and the a-axis length is clearly shorter than the known LiMn 2 O 4 value (0.883336 nm), and the difference due to the presence or absence of lithium deficiency. Conceivable.
a = 0.87276 nm (error ± 0.00003 nm)
b = 0.28333 nm (error ± 0.00001 nm)
c = 1.05392 nm (error ± 0.00004 nm)

また、電界放射型電子顕微鏡(日本電子株式会社製、商品名JEM−2010F)により、加速電圧200kVで、本Li0.81Mn試料の電子線回折像を撮影したところ、図7に示すように、a軸方向へ4倍周期の長周期性を示す弱い超格子反射、並びに結晶格子の不整合構造に対応するa軸方向へのストリーク線が観測された。 The field emission electron microscope (JEOL Ltd., trade name JEM-2010F) by, at an acceleration voltage 200 kV, the present Li 0.81 Mn 2 O 4 electron diffraction image of the sample was taken, in Figure 7 As shown, a weak superlattice reflection having a long periodicity of four times in the a-axis direction and a streak line in the a-axis direction corresponding to the mismatched structure of the crystal lattice were observed.

(リチウム電池)
このようにして得られたLiMn活物質について、実施例1と同様にして電極を作製し、実施例1と同様のリチウム電池(コイン型二次電池)を作製した。このリチウム電池について、実施例1と同条件で充放電試験を行ったところ、初期放電容量331mAh/g程度で、3V程度の放電電位を有し、さらに可逆的に充放電可能であることが判明した。充放電に伴う電圧変化を、図8に示す。このことから、リチウム欠損を導入したカルシウムフェライト型のLiMnが、高容量の電池材料として有用であることが明らかとなった。
(Lithium battery)
For the Li x Mn 2 O 4 active material thus obtained, an electrode was produced in the same manner as in Example 1, and a lithium battery (coin-type secondary battery) similar to that in Example 1 was produced. When this lithium battery was subjected to a charge / discharge test under the same conditions as in Example 1, it was found that it had an initial discharge capacity of about 331 mAh / g, a discharge potential of about 3 V, and could be reversibly charged and discharged. did. The voltage change accompanying charging / discharging is shown in FIG. From this, it became clear that calcium ferrite type Li x Mn 2 O 4 into which lithium deficiency was introduced is useful as a battery material with a high capacity.

本発明のリチウム欠損を有するカルシウムフェライト型LiMn活物質は、その結晶構造の特徴から、リチウムイオンの良好な伝導パスが確保されており、かつ高容量であることから、優れた電池特性を有する材料である。そのため、リチウム電池用活物質として実用的価値の高いものである。 The calcium ferrite type Li x Mn 2 O 4 active material having a lithium deficiency of the present invention is excellent in that a good conduction path of lithium ions is ensured and a high capacity from the characteristics of the crystal structure. It is a material having battery characteristics. Therefore, it has a high practical value as an active material for a lithium battery.

また、その製造方法は、低圧相である劣化が問題なスピネル型LiMnや、電池活性でないLiMnOなどの化合物の生成を抑制可能な有用な手法である。 In addition, the production method is a useful technique capable of suppressing the generation of compounds such as spinel type LiMn 2 O 4 which is a low-pressure phase degradation problem and Li 2 MnO 3 which is not battery active.

さらに、本発明のリチウム欠損を有するカルシウムフェライト型LiMn活物質を電極材料として用いたリチウム電池は、3V級の放電電位が可能で、二次電池としての使用も可能であり、また高容量が期待できる電池である。 Furthermore, the lithium battery using the calcium ferrite type Li x Mn 2 O 4 active material having a lithium deficiency of the present invention as an electrode material can have a 3V-class discharge potential and can be used as a secondary battery. It is a battery that can be expected to have a high capacity.

本発明のカルシウムフェライト型構造を有するLiMn活物質の結晶構造を説明するための模式図である。白い球が一部欠損したリチウムイオンを表す。Is a schematic diagram for explaining the crystal structure of Li x Mn 2 O 4 active material having a calcium ferrite structure of the present invention. Represents lithium ions partially lacking white spheres. リチウム電池の一例(コイン型二次電池)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example (coin-type secondary battery) of a lithium battery. 実施例1で得られた本発明のカルシウムフェライト型Li0.69Mn活物質の粉末X線回折図形である。 2 is a powder X-ray diffraction pattern of the calcium ferrite type Li 0.69 Mn 2 O 4 active material of the present invention obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた本発明のカルシウムフェライト型Li0.69Mn活物質の電子線回折図形である。 2 is an electron diffraction pattern of the calcium ferrite type Li 0.69 Mn 2 O 4 active material of the present invention obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた本発明の電池の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the battery of this invention obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られた本発明のカルシウムフェライト型Li0.81Mn活物質の粉末X線回折図形である。 4 is a powder X-ray diffraction pattern of the calcium ferrite type Li 0.81 Mn 2 O 4 active material of the present invention obtained in Example 2. FIG. 実施例2で得られた本発明のカルシウムフェライト型Li0.81Mn活物質の電子線回折図形である。 4 is an electron diffraction pattern of the calcium ferrite type Li 0.81 Mn 2 O 4 active material of the present invention obtained in Example 2. FIG. 実施例2で得られた本発明の電池の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the battery of this invention obtained in Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 コイン型リチウム二次電池
2 負極端子
3 負極
4 セパレータ+電解液
5 絶縁パッキング
6 正極
7 正極缶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coin type lithium secondary battery 2 Negative electrode terminal 3 Negative electrode 4 Separator + Electrolyte 5 Insulation packing 6 Positive electrode 7 Positive electrode can

Claims (5)

LixMn24(組成範囲:0.5≦x≦0.9)なるリチウム欠損型の化学組成式で標記され、結晶構造として斜方晶カルシウムフェライト型構造をとり、a軸方向に長周期性を有する多結晶体からなることを特徴とするリチウム電池用活物質。 Li x Mn 2 O 4 (composition range: 0.5 ≦ x ≦ 0.9) is expressed by a lithium-deficient chemical composition formula, and has an orthorhombic calcium ferrite structure as a crystal structure and is long in the a-axis direction. An active material for a lithium battery, comprising a polycrystal having periodicity. LixMn24(組成範囲:0.5≦x≦0.9)なるリチウム欠損型の化学組成式で標記され、結晶構造として斜方晶カルシウムフェライト型構造の結晶格子のうち、そのa軸長が0.871nmから0.882nmの範囲であり、かつ、a軸方向に長周期性を有する多結晶体からなることを特徴とするリチウム電池用活物質。 Of the crystal lattice of the orthorhombic calcium ferrite type structure, which is expressed by the chemical composition formula of lithium deficiency type Li x Mn 2 O 4 (composition range: 0.5 ≦ x ≦ 0.9), a An active material for a lithium battery, characterized by comprising a polycrystalline body having an axial length in the range of 0.871 nm to 0.882 nm and having a long periodicity in the a-axis direction. リチウム化合物、及びマンガン化合物を含有する混合物を1150〜1250℃の高温と1万〜10万気圧の高圧条件下で加熱することを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム電池用活物質の製造方法。 3. The lithium battery active material according to claim 1, wherein the mixture containing the lithium compound and the manganese compound is heated under a high temperature of 1150 to 1250 ° C. and a high pressure of 10,000 to 100,000 atmospheres. Production method. ナトリウム化合物、及びマンガン化合物を含有する混合物を1150〜1250℃の高温と1万〜10万気圧の高圧条件下で加熱し、作製されたナトリウム化合物にイオン交換処理を行うことによって、ナトリウムをリチウムに交換することを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム電池用活物質の製造方法。 A mixture containing a sodium compound and a manganese compound is heated under a high temperature of 1150 to 1250 ° C. and a high pressure of 10,000 to 100,000 atmospheres, and the resulting sodium compound is subjected to an ion exchange treatment, whereby sodium is converted into lithium. The method for producing an active material for a lithium battery according to claim 1, wherein the material is exchanged. 正極および負極として使用する2つの電極と、電解質からなるリチウム電池において、電極を構成する材料として請求項1又は2に記載のリチウム電池用活物質を用いたことを特徴とするリチウム電池。   A lithium battery comprising two electrodes used as a positive electrode and a negative electrode and an electrolyte, wherein the lithium battery active material according to claim 1 or 2 is used as a material constituting the electrode.
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