JP5229472B2 - Lithium manganate particles for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Lithium manganate particles for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、高出力で高温安定性に優れたマンガン酸リチウムを提供する。   The present invention provides lithium manganate having high output and excellent high-temperature stability.

近年、AV機器やパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要求が高くなっている。このような状況下において、充放電電圧が高く、充放電容量も大きいという長所を有するリチウムイオン二次電池が注目されている。   In recent years, electronic devices such as AV devices and personal computers are rapidly becoming portable and cordless, and there is an increasing demand for secondary batteries having a small size, light weight, and high energy density as power sources for driving these devices. Under such circumstances, a lithium ion secondary battery having advantages such as a high charge / discharge voltage and a large charge / discharge capacity has attracted attention.

従来、4V級の電圧をもつ高エネルギー型のリチウムイオン二次電池に有用な正極活物質としては、スピネル型構造のLiMn、岩塩型構造のLiMnO、LiCoO、LiCo1−XNi、LiNiO等が一般的に知られており、なかでもLiCoOは高電圧と高容量を有する点で優れているが、コバルト原料の供給量が少ないことによる製造コスト高の問題や廃棄電池の環境安全上の問題を含んでいる。そこで、供給量が多く低コストで環境適性の良いマンガンを原料として作られるスピネル構造型のマンガン酸リチウム粒子粉末(基本組成:LiMn−以下、同じ−)の研究が盛んに行われている。 Conventionally, as a positive electrode active material useful for a high energy type lithium ion secondary battery having a voltage of 4 V class, spinel type structure LiMn 2 O 4 , rock salt type structure LiMnO 2 , LiCoO 2 , LiCo 1-X Ni X O 2 , LiNiO 2, etc. are generally known. Among them, LiCoO 2 is excellent in that it has a high voltage and a high capacity, but there is a problem of high manufacturing cost due to a small supply amount of cobalt raw material. It includes environmental safety issues of waste batteries. Therefore, research on spinel-structure-type lithium manganate particles (basic composition: LiMn 2 O 4 -hereinafter the same-) made from manganese, which is supplied at a low cost and has good environmental friendliness, has been actively conducted. Yes.

周知の通り、マンガン酸リチウム粒子粉末は、マンガン化合物とリチウム化合物とを所定の割合で混合し、700〜800℃の温度範囲で焼成することによって得ることができる。   As is well known, the lithium manganate particle powder can be obtained by mixing a manganese compound and a lithium compound at a predetermined ratio and firing at a temperature range of 700 to 800 ° C.

しかしながら、マンガン酸リチウム粒子粉末をリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いた場合、高電圧と高エネルギー密度を有するものの、充放電サイクル特性が劣るという問題がある。この原因は、充放電の繰り返しに伴う結晶構造中のリチウムイオンの脱離・挿入挙動によって結晶格子が伸縮して、結晶の体積変化によって格子破壊が生じることや電解液中へMnが溶解することとされている。   However, when lithium manganate particle powder is used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, although it has a high voltage and a high energy density, there is a problem that charge / discharge cycle characteristics are inferior. This is due to the fact that the crystal lattice expands and contracts due to the lithium ion desorption / insertion behavior in the crystal structure with repeated charge and discharge, resulting in lattice breakage due to the volume change of the crystal and the dissolution of Mn in the electrolyte. It is said that.

マンガン酸リチウム粒子粉末を用いたリチウムイオン二次電池にあっては、充放電の繰り返しによる充放電容量の劣化を抑制し、特に高温、低温での充放電サイクル特性を向上させることが現在最も要求されている。   In lithium ion secondary batteries using lithium manganate particles, the most current demand is to suppress deterioration of charge / discharge capacity due to repeated charge / discharge and to improve charge / discharge cycle characteristics at high and low temperatures. Has been.

充放電サイクル特性を向上させるためには、マンガン酸リチウム粒子粉末からなる正極活物質が充填性に優れ、適度な大きさを有すること、更にMn溶出を抑制することが必要である。その手段としては、マンガン酸リチウム粒子の粒子径及び粒度分布を制御する方法、焼成温度を制御して高結晶のマンガン酸リチウム粒子粉末を得る方法、異種元素を添加して結晶の結合力を強化する方法、表面処理行うことや、添加物を混ぜることでMnの溶出を抑制する方法等が行われている。   In order to improve the charge / discharge cycle characteristics, it is necessary that the positive electrode active material made of lithium manganate particle powder is excellent in filling property, has an appropriate size, and further suppresses elution of Mn. As the means, a method of controlling the particle size and particle size distribution of lithium manganate particles, a method of obtaining a highly crystalline lithium manganate particle powder by controlling the firing temperature, and strengthening the bonding power of crystals by adding different elements For example, a method of suppressing the elution of Mn by performing a surface treatment or mixing an additive is performed.

これまで、異種元素の一つとして、マンガン酸リチウム粒子粉末にアルミニウムを含有させることが知られている(特許文献1〜6)。また、融点が800℃以下である焼結助剤、特に酸化ホウ素、ホウ酸、ホウ酸リチウム、ホウ酸アンモニウムを焼成の際に添加させることで、焼結助剤効果を得られることが知られている(特許文献7〜11)。   Until now, it has been known that lithium manganese oxide particle powder contains aluminum as one of different elements (Patent Documents 1 to 6). Further, it is known that a sintering aid effect can be obtained by adding a sintering aid having a melting point of 800 ° C. or less, particularly boron oxide, boric acid, lithium borate, or ammonium borate at the time of firing. (Patent Documents 7 to 11).

マンガン酸リチウム粒子粉末にCa化合物及び/又はNi化合物とAl化合物とを含有させること(特許文献1)、マンガン酸リチウム粒子粉末にAlを含有するとともに、X線回折の各回折面のピーク位置を限定すること(特許文献2)、マンガン酸リチウム粒子粉末にAlなどの異種元素を含有するとともに、焼成を多段階に分けて行うこと(特許文献3)、マンガン酸リチウム粒子粉末にAlを含有するとともに、比表面積が0.5〜0.8m/gであって、ナトリウム含有量が1000ppm以下であるマンガン酸リチウム(特許文献4)、マンガン酸リチウム粒子粉末にAlなどの異種元素を含有するとともに、(400)面の半値幅が0.22°以下であり結晶粒子の平均径が2μm以下であるマンガン酸リチウム(特許文献5)、マンガン酸リチウム粒子粉末にAlなどの異種元素を含有するとともに、結晶子サイズが600Å以上であり格子歪が0.1%以下であるマンガン酸リチウム(特許文献6)、リチウム化合物と二酸化マンガンとホウ素化合物を温度600℃〜800℃で加熱処理するマンガン酸リチウム(特許文献7)、酸化物の融点が800℃以下の元素が添加およびフッ素化合物を添加させたマンガン酸リチウム粉末(特許文献8)、ホウ素を含んだマンガン酸リチウムとマンガン酸リチウムの5〜20重量%のニッケル酸リチウムが含まれているリチウム二次電池(特許文献9)、700〜850℃で焼成を行った四ホウ酸リチウムを含有したマンガン酸リチウム(特許文献10)がそれぞれ記載されている。 Lithium manganate particle powder contains Ca compound and / or Ni compound and Al compound (Patent Document 1), Lithium manganate particle powder contains Al, and the peak position of each diffraction surface of X-ray diffraction Limiting (Patent Document 2), Lithium manganate particle powder contains different elements such as Al, and firing is performed in multiple stages (Patent Document 3), Lithium manganate particle powder contains Al In addition, lithium manganate having a specific surface area of 0.5 to 0.8 m 2 / g and a sodium content of 1000 ppm or less (Patent Document 4), and lithium manganate particle powder contains a different element such as Al. In addition, lithium manganate having a (400) plane half width of 0.22 ° or less and an average diameter of crystal grains of 2 μm or less (patent document ), Lithium manganate particles containing different elements such as Al, lithium manganate having a crystallite size of 600 mm or more and a lattice strain of 0.1% or less (Patent Document 6), lithium compound and manganese dioxide Lithium manganate (Patent Document 7) that heat-treats the boron compound and boron compound at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C., an element having an oxide melting point of 800 ° C. or lower, and a fluorine compound added (Patent Document 8) ), A lithium secondary battery containing 5 to 20% by weight of lithium manganate containing lithium and lithium manganate (Patent Document 9), tetraboric acid fired at 700 to 850 ° C. A lithium manganate containing lithium (Patent Document 10) is described.

特開2000−294237号公報JP 2000-294237 A 特開2001−146425号公報JP 2001-146425 A 特開2001−328814号公報JP 2001-328814 A 特開2002−33099号公報JP 2002-33099 A 特開2002−316823号公報JP 2002-316823 A 特開2006−252940号公報JP 2006-252940 A 特開平8−195200号公報JP-A-8-195200 特開2001−48547号公報JP 2001-48547 A 特開2002−170566号公報JP 2002-170566 A 特開2005−112710号公報JP 2005-127710 A

非水電解質二次電池用の正極活物質として出力特性と高温特性を改善するマンガン酸リチウムが、現在最も要求されているところであるが、未だ必要十分な要求を満たす材料は得られていない。   As the positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries, lithium manganate that improves output characteristics and high-temperature characteristics is currently most demanded, but no material that satisfies the necessary and sufficient requirements has yet been obtained.

即ち、前記特許文献1〜10には、それぞれ、金属元素をマンガンの一部を異種元素で置換したマンガン酸リチウムや、ホウ素化合物を少量添加したマンガン酸リチウムに関して記載されているが、電池の高温保存特性が満足するものではなく実用的にまだ不十分であった。
また、結晶性を改善しただけでも高温保存特性が満足できるレベルではなく、実用的には不十分であった。
That is, Patent Documents 1 to 10 describe lithium manganate obtained by substituting a part of manganese for a metal element with a different element, and lithium manganate to which a small amount of a boron compound is added. The storage characteristics were not satisfactory and practically still insufficient.
Further, even if the crystallinity is improved, the high-temperature storage characteristics are not at a satisfactory level, and are insufficient in practical use.

前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。   The technical problem can be achieved by the present invention as follows.

即ち、本発明は、一次粒子径が1μm以上で、実質的に単相粒子を形成するマンガン酸リチウム粒子粉末であり、
化学式:Li1+xMn2−x−yY1+Y2(Y1=Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiの中の少なくとも一種、Y2=融点が800℃以下である焼結助剤を構成する少なくとも一種の元素、0.03≦x≦0.15、0.05≦y≦0.20、Y2:Mnに対して0.1mol%〜2.5mol%)を満たし、且つ、Y1元素が粒子内部に分散しており、X線回折強度のI(400)/I(111)が38%以上であってI(440)/I(111)が18%以上であることを特徴とするマンガン酸リチウム粒子粉末である(本発明1)。
That is, the present invention is a lithium manganate particle powder having a primary particle diameter of 1 μm or more and substantially forming single-phase particles,
Formula: Li 1 + x Mn 2- x-y Y1 y O 4 + Y2 (Y1 = Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, at least one of: Ti, Y2 = melting point of 800 ° C. or less sintering aid At least one element constituting 0.03 ≦ x ≦ 0.15, 0.05 ≦ y ≦ 0.20, Y2: 0.1 mol% to 2.5 mol% with respect to Mn), and Y1 The element is dispersed inside the particle, and the X-ray diffraction intensity I (400) / I (111) is 38% or more and I (440) / I (111) is 18% or more. This is a lithium manganate particle powder (Invention 1).

また、本発明は、格子定数が0.818〜0.821nmであることを特徴とする本発明1に記載のマンガン酸リチウム粒子粉末である(本発明2)。   Moreover, this invention is a lithium manganate particle powder of this invention 1 characterized by having a lattice constant of 0.818 to 0.821 nm (present invention 2).

また、本発明は、比表面積が0.3〜1.25m/g(BET法)である本発明1〜2のいずれかに記載のマンガン酸リチウムの粒子粉末である(本発明3)。 Moreover, this invention is a particle powder of the lithium manganate in any one of this invention 1-2 whose specific surface area is 0.3-1.25 m < 2 > / g (BET method) (this invention 3).

また、本発明は、平均粒径(D50)が1.0〜15μmである本発明1〜3のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末である(本発明4)。   Moreover, this invention is a lithium manganate particle powder in any one of this invention 1-3 whose average particle diameter (D50) is 1.0-15 micrometers (invention 4).

また、本発明は、炭酸リチウムと、Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物を被覆した酸化マンガンと、融点が800℃以下である焼結助剤とを添加し混合した後、800℃〜1050℃で焼成することを特徴とする本発明1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法である(本発明5)。   The present invention also provides lithium carbonate, manganese oxide coated with a compound of at least one element selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti, and a sintering aid having a melting point of 800 ° C. or lower. It is a manufacturing method of the lithium manganate particle powder in any one of this invention 1-4 characterized by baking at 800 to 1050 degreeC after adding and mixing an agent (invention 5).

また、本発明は、Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物を被覆した酸化マンガンが、酸化マンガンを含有する水懸濁液に対して、Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の塩を含有する水溶液を添加し懸濁液のpHを調整して、酸化マンガンの粒子表面にNi、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物の被覆を形成することによって得られる本発明5記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法である(本発明6)。   Further, the present invention relates to an aqueous suspension in which manganese oxide coated with a compound of at least one element selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti contains manganese oxide. An aqueous solution containing a salt of at least one element selected from Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti is added to adjust the pH of the suspension, and Ni, Co, Mg are formed on the surface of the manganese oxide particles. This is a method for producing lithium manganate particle powder according to the present invention 5 obtained by forming a coating of a compound of at least one element selected from Fe, Al, Cr, Ti (Invention 6).

また、本発明は、酸化マンガンの粒子表面に形成されたNi、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物が、X線回折で非晶質である本発明6記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法である(本発明7)。   Further, the present invention provides a book in which a compound of at least one element selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti formed on the surface of manganese oxide particles is amorphous by X-ray diffraction. It is a manufacturing method of the lithium manganate particle powder of invention 6, (this invention 7).

また、本発明は、酸化マンガンは、実質的に単結晶であり、平均粒径が1μm以上である本発明5〜7のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法である(本発明8)。   Further, the present invention is the method for producing lithium manganate particle powder according to any one of the present inventions 5 to 7, wherein the manganese oxide is substantially single crystal and the average particle diameter is 1 μm or more (the present invention). 8).

また、本発明は、本発明1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質またはその一部として用いた非水電解液二次電池(本発明9)。   Moreover, this invention is a non-aqueous-electrolyte secondary battery using the lithium manganate particle powder in any one of this invention 1-4 as a positive electrode active material or its part (this invention 9).

また、本発明は、マンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質として用い、1mol/lのLiPFが添加されている非水電解質溶液(EC:DEC=3:7の割合で混合)を用い、負極には厚さ150μmのLi箔を用いたCR2032型の非水電解液二次電池において、充放電容量を測定した場合に、初期の放電容量が80mAh/g以上、120mAh/g以下である本発明1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末である(本発明10)。 In addition, the present invention uses a lithium manganate particle powder as a positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte solution to which 1 mol / l LiPF 6 is added (mixed at a ratio of EC: DEC = 3: 7), and a negative electrode In the CR2032-type non-aqueous electrolyte secondary battery using a 150 μm thick Li foil, the initial discharge capacity is 80 mAh / g or more and 120 mAh / g or less when the charge / discharge capacity is measured. It is a lithium manganate particle powder in any one of 1-4 (this invention 10).

また、本発明は、マンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質として用い、1mol/lのLiPFが添加されている非水電解質溶液(EC:DEC=3:7の割合で混合)を用い、負極には厚さ150μmのLi箔を用いたCR2032型の非水電解液二次電池において、60℃の恒温槽にて1時間率で30サイクル充電放電試験を行った際に、1サイクル目と30サイクル目の放電容量の割合が93%以上である本発明1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末である(本発明11)。 In addition, the present invention uses a lithium manganate particle powder as a positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte solution to which 1 mol / l LiPF 6 is added (mixed at a ratio of EC: DEC = 3: 7), and a negative electrode In a CR2032-type non-aqueous electrolyte secondary battery using a 150 μm-thick Li foil, a 30-cycle charge / discharge test was performed at a rate of 1 hour in a 60 ° C. constant temperature bath. The lithium manganate particle powder according to any one of the present inventions 1 to 4, wherein the discharge capacity ratio at the cycle is 93% or more (Invention 11).

また、本発明は、マンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質として用い、1mol/lのLiPFが添加されている非水電解質溶液(EC:DEC=3:7の割合で混合)を用い、負極には厚さ150μmのLi箔を用いたCR2032型の非水電解液二次電池において、0.1Cの時間率で3.0−4.5Vの電圧で充放電した際の初期放電容量測定(a)後、0.1Cの時間率で4.5Vまで充電を行い放電深度70%まで放電した後に、60℃で1週間放置した後、更に、0.1Cで充放電を行なったときの放電容量測定(d)を行なって、容量回復率(=100×d/a)としたときの容量回復率が95%以上である請求項1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末である(本発明12)。 In addition, the present invention uses a lithium manganate particle powder as a positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte solution to which 1 mol / l LiPF 6 is added (mixed at a ratio of EC: DEC = 3: 7), and a negative electrode In the CR2032-type non-aqueous electrolyte secondary battery using a 150 μm thick Li foil, the initial discharge capacity was measured when charging / discharging at a voltage of 3.0 to 4.5 V at a time rate of 0.1 C ( a) Thereafter, after charging to 4.5 V at a time rate of 0.1 C and discharging to a depth of discharge of 70%, after leaving at 60 ° C. for 1 week, further discharging when charging and discharging at 0.1 C The lithium manganate particle powder according to any one of claims 1 to 4, wherein the capacity recovery rate is 95% or more when the capacity measurement (d) is performed to obtain a capacity recovery rate (= 100 x d / a). There is (Invention 12).

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末は、高出力であり、特に高温安定性に優れているので、非水電解質二次電池用の正極活物質として好適である。   The lithium manganate particle powder according to the present invention has a high output and is particularly excellent in high-temperature stability, and therefore is suitable as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

また、酸化マンガンに融点が800℃以下である焼結助剤を添加した場合、殊に、Mnにホウ酸(HBO)を少量添加し、炭酸リチウムと混合し、所定の温度で焼成することで優れた特性を有するマンガン酸リチウム粒子粉末を得ることができる。 Further, when a sintering aid having a melting point of 800 ° C. or less is added to manganese oxide, in particular, a small amount of boric acid (H 3 BO 3 ) is added to Mn 3 O 4 and mixed with lithium carbonate. Lithium manganate particles having excellent characteristics can be obtained by firing at a temperature.

本発明の構成をより詳しく説明すれば次の通りである。   The configuration of the present invention will be described in more detail as follows.

先ず、本発明に係る非水電解質二次電池用マンガン酸リチウム粒子粉末について述べる。   First, the lithium manganate particle powder for nonaqueous electrolyte secondary batteries according to the present invention will be described.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末は、Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも一種の元素(Y1)を含有する。しかも、(111)面に対して、(400)、(440)面が成長したマンガン酸リチウム粒子粉末である。   The lithium manganate particle powder according to the present invention contains at least one element (Y1) selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti. Moreover, it is a lithium manganate particle powder in which the (400) and (440) planes grow with respect to the (111) plane.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末の化学式は、Li1+xMn2−x−yY1O+Y2であり、Y1はNi、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種である。Y2は融点が800℃以下である焼結助剤の中の少なくとも一種の構成元素である。
このうち、xは0.03〜0.15であり、yは0.05〜0.20である。
xが0.03未満の場合、容量は高くなるが高温特性が著しく低下する。0.15を超える場合には高温特性は改善されるが容量が著しく低下したりLiリッチ相が生成し抵抗上昇の原因になる。より好ましくは0.05〜0.15である。
yが0.05未満の場合、十分な効果が得られない。0.20を超える場合には容量低下が大きくなるために実用的でない。より好ましくは0.05〜0.15である。
Y2の含有量はMnに対して0.1〜2.5mol%である。Y2の含有量がMnに対して0.1mol%未満の場合、焼結助剤を添加する十分な効果が得られない。2.5mol%を超える場合には、マンガン酸リチウムの粒子の凝集・融着度合いが強くなりすぎ、且つ、微粉が発生してしまうため好ましくない。Y2の含有量はより好ましくはMnに対して0.5〜2.0mol%である。
The chemical formula of the lithium manganate particles according to the present invention is Li 1 + x Mn 2−xy Y 1 O 4 + Y 2, and Y 1 is at least one selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti. . Y2 is at least one constituent element in the sintering aid having a melting point of 800 ° C. or lower.
Among these, x is 0.03-0.15 and y is 0.05-0.20.
When x is less than 0.03, the capacity is increased, but the high temperature characteristics are remarkably deteriorated. When it exceeds 0.15, the high temperature characteristics are improved, but the capacity is remarkably lowered or a Li-rich phase is generated, which causes an increase in resistance. More preferably, it is 0.05-0.15.
When y is less than 0.05, a sufficient effect cannot be obtained. If it exceeds 0.20, the capacity drop is increased, which is not practical. More preferably, it is 0.05-0.15.
The content of Y2 is 0.1 to 2.5 mol% with respect to Mn. When the content of Y2 is less than 0.1 mol% with respect to Mn, a sufficient effect of adding the sintering aid cannot be obtained. When the amount exceeds 2.5 mol%, the degree of aggregation and fusion of lithium manganate particles becomes too strong, and fine powder is generated, which is not preferable. The content of Y2 is more preferably 0.5 to 2.0 mol% with respect to Mn.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末のY1元素(Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも一種)が粒子内部に存在している。Y1元素は、マンガン酸リチウム粒子の粒子表面から粒子中心部まで偏在することなく粒子全体に均一に存在することが好ましい。Y1元素が均一に存在する状態は、粒子断面のEPMA面分析を行いY1元素の存在を示す白く写っている面積が、粒子断面積の95%以上、より好ましくは98%以上、更により好ましくは100%となっている場合である。Y1元素が偏在している場合には、二次電池を作製した場合に安定性が低下する。   The Y1 element (at least one selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, Ti) of the lithium manganate particles according to the present invention is present inside the particles. The Y1 element is preferably present uniformly throughout the particle without being unevenly distributed from the particle surface of the lithium manganate particle to the particle center. In the state where the Y1 element is present uniformly, an EPMA surface analysis of the cross section of the particle is performed, and the white area indicating the presence of the Y1 element is 95% or more of the particle cross section, more preferably 98% or more, still more preferably This is the case when it is 100%. When the Y1 element is unevenly distributed, the stability is lowered when a secondary battery is manufactured.

Y2元素は粒子表面近傍に存在し、Liと化合物化し、均一に被膜化されていることが好ましい。Y2元素がマンガン酸リチウムの粒子内部にも存在する場合には、二次電池を作製した場合に安定性が低下する場合がある。   The Y2 element is preferably present in the vicinity of the particle surface, compounded with Li, and uniformly coated. When the Y2 element is also present inside the lithium manganate particles, the stability may be lowered when a secondary battery is produced.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末のX線回折において、ピーク強度比I(400)/I(111)が38%以上であり、I(440)/I(111)が18%以上である。
I(400)、I(440)の各強度比が前記範囲外の場合には、安定性及び出力が低下する。より好ましくはI(400)/I(111)が40〜70%、I(440)/I(111)が20〜50%である。
In the X-ray diffraction of the lithium manganate particles according to the present invention, the peak intensity ratio I (400) / I (111) is 38% or more, and I (440) / I (111) is 18% or more.
When the intensity ratios of I (400) and I (440) are out of the above ranges, the stability and output are lowered. More preferably, I (400) / I (111) is 40 to 70% and I (440) / I (111) is 20 to 50%.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末の格子定数は0.818〜0.821nmが好ましい。0.818nm未満の場合には、容量が低下する。0.821nmを超える場合には、安定性が低下する。より好ましくは格子定数が0.819〜0.821nmである。   The lattice constant of the lithium manganate particles according to the present invention is preferably 0.818 to 0.821 nm. If it is less than 0.818 nm, the capacity decreases. When it exceeds 0.821 nm, the stability is lowered. More preferably, the lattice constant is 0.819 to 0.821 nm.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末のBET比表面積は0.3〜1.25m/gが好ましい。BET比表面積が0.3m/g未満の場合、出力が低下する。1.25m/gを超える場合、安定性が低下する。より好ましくはBET比表面積が0.35〜1.2m/gである。 The BET specific surface area of the lithium manganate particles according to the present invention is preferably 0.3 to 1.25 m 2 / g. When the BET specific surface area is less than 0.3 m 2 / g, the output decreases. When it exceeds 1.25 m 2 / g, the stability decreases. More preferably, the BET specific surface area is 0.35 to 1.2 m 2 / g.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末の粒度分布計での平均粒径(D50:二次粒子径)は1.0〜15μmが好ましい。平均粒径が1.0μm未満の場合には、安定性が低下する。平均粒径が15μmを超える場合には、出力が低下する。マンガン酸リチウム粒子粉末の平均粒径は2〜10μmがより好ましく、更により好ましくは2〜9μmである。   As for the average particle diameter (D50: secondary particle diameter) in the particle size distribution meter of the lithium manganate particle powder which concerns on this invention, 1.0-15 micrometers is preferable. When the average particle size is less than 1.0 μm, the stability is lowered. When the average particle size exceeds 15 μm, the output decreases. The average particle size of the lithium manganate particle powder is more preferably 2 to 10 μm, still more preferably 2 to 9 μm.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末の平均一次粒子径は1.0〜10μmが好ましい。平均一次粒子径が1.0μm未満の場合には、安定性が低下する。平均一次粒子径が10μmを超える場合には、出力が低下する。より好ましくは平均一次粒子径が1.0〜9.0μmである。   The average primary particle diameter of the lithium manganate particles according to the present invention is preferably 1.0 to 10 μm. When the average primary particle size is less than 1.0 μm, the stability is lowered. When the average primary particle diameter exceeds 10 μm, the output decreases. More preferably, the average primary particle size is 1.0 to 9.0 μm.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末は、実質的に単相からなる。多結晶体である場合には、格子不整合面が多数存在するためにリチウムの脱挿入に対して抵抗成分となり、出力がとりにくくなる。   The lithium manganate particle powder according to the present invention substantially consists of a single phase. In the case of a polycrystal, a large number of lattice mismatch planes exist, so that it becomes a resistance component against lithium desorption and the output is difficult to obtain.

次に、本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末の製造法について述べる。   Next, a method for producing lithium manganate particles according to the present invention will be described.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末は、マンガン前駆体として実質的に単相の四三酸化マンガン(Mn)を用い、且つ、マンガン前駆体を水溶液中で処理して、Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも一種の元素からなる化合物であって、非常に微細で結晶性の低い(10mol%添加でもX線回折で検出できない状態)化合物を酸化マンガンに表面処理し、次いで、表面処理した酸化マンガンと炭酸リチウムと融点が800℃以下の焼結助剤と混合した後、焼成を800℃以上、好ましくは850〜1050℃の温度範囲で行って得ることができる。 The lithium manganate particle powder according to the present invention uses substantially single-phase manganese trioxide (Mn 3 O 4 ) as a manganese precursor, and the manganese precursor is treated in an aqueous solution to obtain Ni, Co , Mg, Fe, Al, Cr, Ti, a compound composed of at least one element selected from manganese, a very fine and low crystallinity compound (a state that cannot be detected by X-ray diffraction even when added at 10 mol%). After surface treatment and then mixing with surface-treated manganese oxide, lithium carbonate and a sintering aid having a melting point of 800 ° C. or lower, firing is performed at a temperature range of 800 ° C. or higher, preferably 850 to 1050 ° C. Can do.

本発明における酸化マンガンとしては四三酸化マンガン(Mn)が好ましい。四三酸化マンガン(Mn)としては、平均粒径(D50)1〜8μm、一次粒子径1〜10μm、BET比表面積0.5〜15m/gであることが好ましい。 As the manganese oxide in the present invention, trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ) is preferable. As trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ), it is preferable that the average particle diameter (D50) is 1 to 8 μm, the primary particle diameter is 1 to 10 μm, and the BET specific surface area is 0.5 to 15 m 2 / g.

結晶性の良好なマンガン前駆体を用いた場合、Al化合物などの表面被覆した化合物との反応性が低下するために、サブミクロンサイズのアルミニウム化合物などを用いたとしても均一な固溶状態は得にくく、X線回折で検出できないような、微細で結晶性の低いアルミニウム化合物などが均一に混合された状態とする必要がある。   When manganese precursors with good crystallinity are used, the reactivity with surface-coated compounds such as Al compounds decreases, so even if submicron-sized aluminum compounds are used, a uniform solid solution state is obtained. It is difficult to make a finely mixed aluminum compound with low crystallinity that cannot be detected by X-ray diffraction.

表面被覆物(アルミニウム化合物など)を前記状態とするためには、酸化マンガンの懸濁液にアルミニウムのイオン性水溶液を混合することによって、マンガン前駆体とアルミニウムイオンの均質な混合状態を形成した後、pHを調整することにより、微細で結晶性の低い水酸化物がマンガン前駆体と均質な混合状態を作り出すことができる。   In order to make the surface coating (aluminum compound, etc.) into the above state, after forming a homogeneous mixed state of manganese precursor and aluminum ions by mixing an ionic aqueous solution of aluminum with a suspension of manganese oxide By adjusting the pH, a fine and low crystalline hydroxide can create a homogeneous mixed state with the manganese precursor.

その反応条件は、アルミニウム化合物を被覆する場合、反応溶液のpHを6〜10、反応温度を10〜90℃に制御する。   As for the reaction conditions, when the aluminum compound is coated, the pH of the reaction solution is controlled to 6 to 10, and the reaction temperature is controlled to 10 to 90 ° C.

また、例えば、Mgを被覆する場合は、反応溶液のpHを9〜11、反応温度を10〜90℃に制御する。Coを被覆する場合は、pHを7〜10、反応温度を10〜90℃に制御することが好ましい。Niを被覆する場合は、pH9〜11、反応温度を10〜90℃に制御することが好ましい。Feを被覆する場合は、pHを9〜11、反応温度を10〜90℃に制御することが好ましい。Crを被覆する場合は、pHを6〜10、反応温度を10〜90℃に制御することが好ましい。Tiを被覆する場合は、pHを6〜10、反応温度を10〜90℃に制御することが好ましい。   For example, when Mg is coated, the pH of the reaction solution is controlled to 9 to 11, and the reaction temperature is controlled to 10 to 90 ° C. When coating Co, it is preferable to control the pH to 7 to 10 and the reaction temperature to 10 to 90 ° C. When coating Ni, it is preferable to control the pH to 9 to 11 and the reaction temperature to 10 to 90 ° C. When coating Fe, it is preferable to control pH to 9-11 and reaction temperature to 10-90 degreeC. When coating with Cr, it is preferable to control the pH to 6 to 10 and the reaction temperature to 10 to 90 ° C. When coating Ti, it is preferable to control the pH to 6 to 10 and the reaction temperature to 10 to 90 ° C.

本発明では融点が800℃以下である焼結助剤を添加して焼成を行う。より好ましくは融点が600℃以下の焼結助剤である。融点が800℃以下である焼結助剤としてはホウ素化合物が好ましい(ホウ素化合物の場合、Y2はB(ホウ素)となる)。ホウ素化合物は、ホウ酸、四ホウ酸リチウム、酸化ホウ素、ホウ酸アンモニウムなどが挙げられる。特に良好なのはホウ酸を使用した場合である。   In the present invention, sintering is performed by adding a sintering aid having a melting point of 800 ° C. or lower. More preferred is a sintering aid having a melting point of 600 ° C. or lower. As a sintering aid having a melting point of 800 ° C. or lower, a boron compound is preferable (in the case of a boron compound, Y2 is B (boron)). Examples of the boron compound include boric acid, lithium tetraborate, boron oxide, and ammonium borate. Particularly good is when boric acid is used.

ホウ素化合物は焼成の際に、焼結助剤としてマンガン酸リチウムの結晶成長を促す。更に、マンガン酸リチウムの粒子のエッジを鈍らせ、丸みを帯びた粒子とする効果がある。従来のマンガン酸リチウムでは粒子のエッジ部よりマンガンの溶出が発生し、電池特性、特に高温時の特性を悪化させていることが考えられる。本発明では、マンガン酸リチウムの粒子のエッジ(角張った部分)を鈍らせて、丸みを帯びた粒子とすることで、マンガンの溶出部位を減少させることができ、その結果、二次電池の安定性を向上させることができると考えられる。
また、ホウ素化合物は焼成の際に、炭酸リチウム中のリチウムと反応しB−Li系化合物を形成していることが考えられる。このB−Li系化合物は800℃以上では融解されていると考えられるので、マンガン酸リチウム粒子を被覆していることが考えられる。B−Li系化合物は一種の保護膜の役割を果たし、電池特性、特に高温時での特性で、マンガンの溶出を防止することができると考えられる。
The boron compound promotes crystal growth of lithium manganate as a sintering aid during firing. Further, the edge of the lithium manganate particle is dulled, and the effect is obtained as a rounded particle. In conventional lithium manganate, manganese is eluted from the edge portion of the particles, and it is considered that battery characteristics, particularly characteristics at high temperatures are deteriorated. In the present invention, the edge (angular portion) of the lithium manganate particle is blunted to form a rounded particle, so that the elution site of manganese can be reduced. As a result, the stability of the secondary battery can be reduced. It is thought that the property can be improved.
In addition, it is considered that the boron compound reacts with lithium in lithium carbonate to form a B-Li compound during firing. Since this B-Li compound is considered to be melted at 800 ° C. or higher, it is considered that the lithium manganate particles are coated. It is considered that the B-Li compound serves as a kind of protective film and can prevent elution of manganese with battery characteristics, particularly at high temperatures.

本発明においては、焼成温度を800℃以上で行う必要がある。800℃未満ではアルミニウムが粒子内部で均一に分布した状態を得ることはできない。また、800℃未満ではホウ素による粒子の十分な凝集効果を得ることができない。   In the present invention, the firing temperature must be 800 ° C. or higher. Below 800 ° C., it is impossible to obtain a state in which aluminum is uniformly distributed inside the particles. Moreover, if it is less than 800 degreeC, the sufficient aggregation effect of the particle | grains by boron cannot be acquired.

前出特許文献2(特開2001−146425号公報)では、粒子外観のEPMA分析により、Alの均質状態を検証しているが、Alが粒子表面のみに局在していてもこのような結果が得られるが、実際の出力を測定すると、抵抗が大きく、電流を取り出しにくいということが発生する。好ましくは850℃〜1050℃の温度範囲で焼成する。   In the above-mentioned patent document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-146425), the homogeneity state of Al is verified by EPMA analysis of the particle appearance, but such a result is obtained even when Al is localized only on the particle surface. However, when the actual output is measured, the resistance is large and it is difficult to extract the current. Preferably, the baking is performed at a temperature range of 850 ° C to 1050 ° C.

次に、本発明に係る非水電解質二次電池用マンガン酸リチウム粒子粉末からなる正極活物質を用いた正極について述べる。   Next, the positive electrode using the positive electrode active material which consists of lithium manganate particle powder for nonaqueous electrolyte secondary batteries which concerns on this invention is described.

本発明に係る正極活物質を用いて正極を製造する場合には、常法に従って、導電剤と結着剤とを添加混合する。導電剤としてはアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等が好ましく、結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等が好ましい。   When a positive electrode is produced using the positive electrode active material according to the present invention, a conductive agent and a binder are added and mixed according to a conventional method. As the conductive agent, acetylene black, carbon black, graphite and the like are preferable, and as the binder, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride and the like are preferable.

本発明に係る正極活物質を用いて製造される二次電池は、前記正極、負極及び電解質から構成される。   The secondary battery manufactured using the positive electrode active material according to the present invention includes the positive electrode, the negative electrode, and an electrolyte.

負極活物質としては、リチウム金属、リチウム/アルミニウム合金、リチウム/スズ合金、グラファイトや黒鉛等を用いることができる。   As the negative electrode active material, lithium metal, lithium / aluminum alloy, lithium / tin alloy, graphite, graphite, or the like can be used.

また、電解液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルの組み合わせ以外に、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル等のカーボネート類や、ジメトキシエタン等のエーテル類の少なくとも1種類を含む有機溶媒を用いることができる。   In addition to the combination of ethylene carbonate and diethyl carbonate, an organic solvent containing at least one of carbonates such as propylene carbonate and dimethyl carbonate and ethers such as dimethoxyethane can be used as the solvent for the electrolytic solution.

さらに、電解質としては、六フッ化リン酸リチウム以外に、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩の少なくとも1種類を上記溶媒に溶解して用いることができる。   Further, as the electrolyte, in addition to lithium hexafluorophosphate, at least one lithium salt such as lithium perchlorate and lithium tetrafluoroborate can be dissolved in the above solvent and used.

本発明に係る正極活物質を用いて製造した二次電池は、初期放電容量が80mAh/g以上であり、高温保存後の容量維持率55%以上、容量回復率95%以上、高温サイクル容量維持率93%以上であり、焼結助剤を用いることで、焼結助剤を用いないマンガン酸リチウムの場合に比べ飛躍的に向上する。
本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末を用いた正極の放電容量が80mAh/g未満では、出力が低く実用的ではない。より好ましくは87〜113mAh/gであり、110mAh/gを超える場合には十分な安定性を確保できない。
The secondary battery manufactured using the positive electrode active material according to the present invention has an initial discharge capacity of 80 mAh / g or more, a capacity maintenance rate of 55% or more after high temperature storage, a capacity recovery rate of 95% or more, and a high temperature cycle capacity maintenance. The rate is 93% or more, and the use of a sintering aid is a dramatic improvement over the case of lithium manganate that does not use a sintering aid.
When the discharge capacity of the positive electrode using the lithium manganate particles according to the present invention is less than 80 mAh / g, the output is low and not practical. More preferably, it is 87-113 mAh / g, and when it exceeds 110 mAh / g, sufficient stability cannot be ensured.

<作用>
本発明において重要な点は、マンガン酸リチウム粒子粉末の結晶性、特にI(440)/I(111)、I(400)/I(111)の強度比が高く、しかも、置換元素であるNi、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiが均一に分散していること、且つ、添加している融点が800℃以下である焼結助剤の構成元素が粒子表面に存在することである。
<Action>
The important point in the present invention is that the crystallinity of the lithium manganate particles, particularly the strength ratio of I (440) / I (111), I (400) / I (111) is high, and Ni is a substitutional element. Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti are uniformly dispersed, and the constituent elements of the sintering aid having a melting point of 800 ° C. or less are present on the particle surface. .

本発明においては、酸化マンガンに、微細で結晶性の低いアルミニウム化合物などの被覆物を粒子表面に被覆して均質に混合された状態とし、且つ、ホウ酸を添加し、800℃以上の高温で焼成することによって、前記特性を有するマンガン酸リチウムを得ることができたものである。   In the present invention, manganese oxide is coated with a fine and low-crystalline coating such as an aluminum compound on the particle surface so as to be in a homogeneously mixed state, and boric acid is added at a high temperature of 800 ° C. or higher. By firing, lithium manganate having the above-mentioned characteristics was obtained.

その結果、本発明に係るマンガン酸リチウムを用いた二次電池は、出力特性と同時に高温保存特性も改良されるものである。   As a result, the secondary battery using lithium manganate according to the present invention has improved high-temperature storage characteristics as well as output characteristics.

本発明の代表的な実施の形態は次の通りである。   A typical embodiment of the present invention is as follows.

平均粒径はレーザー式粒度分布測定装置マイクロトラックHRA[日機装(株)製]を用いて湿式レーザー法で測定した体積基準の平均粒子径である。   The average particle diameter is a volume-based average particle diameter measured by a wet laser method using a laser type particle size distribution measuring apparatus Microtrac HRA [manufactured by Nikkiso Co., Ltd.].

一次粒子径は、SEM像から平均値を読み取った。   The average primary particle size was read from the SEM image.

被覆又は存在させる粒子の存在状態はエネルギー分散型X線分析装置付き走査電子顕微鏡SEM−EDX[(株)日立ハイテクノロジーズ製]を用いて観察した。   The presence state of the particles to be coated or present was observed using a scanning electron microscope SEM-EDX with an energy dispersive X-ray analyzer [manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation].

被覆又は存在させる粒子の平均一次粒子径はエネルギー分散型X線分析装置付き走査電子顕微鏡SEM−EDX[(株)日立ハイテクノロジーズ製]を用いて観察し、確認した。   The average primary particle diameter of the particles to be coated or present was observed and confirmed using a scanning electron microscope SEM-EDX with an energy dispersive X-ray analyzer [manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation].

試料のX線回折は、株式会社リガク製 RAD−IIAを用いて測定した。   The X-ray diffraction of the sample was measured using RAD-IIA manufactured by Rigaku Corporation.

格子定数は、前記粉末X線回折結果からリートベルト法で算出した。   The lattice constant was calculated by the Rietveld method from the powder X-ray diffraction results.

単相か否かの確認は、前記粉末X線回折結果から判断した。   Confirmation of whether it was a single phase was judged from the said powder X-ray-diffraction result.

単結晶か否かの確認は、粒子断面のEBSDで配向面を観察するか、SEM像から判断した。   Whether or not it was a single crystal was determined by observing the orientation plane by EBSD of the cross section of the particle or from the SEM image.

マンガン酸リチウム粒子粉末を用いてコインセルによる初期充放電特性及び高温保存特性評価を行った。
まず、正極活物質としてLi−Mn複合酸化物を92重量%、導電材としてアセチレンブラックを2.5重量%及びグラファイトを2.5重量%、バインダーとしてN−メチルピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデン3重量%とを混合した後、Al金属箔に塗布し120℃にて乾燥した。このシートを16mmφに打ち抜いた後、1.5t/cmで圧着し、電極厚みを50μmとした物を正極に用いた。負極は16mmφに打ち抜いた金属リチウムとし、電解液は1mol/lのLiPFを溶解したECとDECを体積比で3:7で混合した溶液を用いてCR2032型コインセルを作製した。
初期充放電特性は、室温で充電は4.5Vまで0.1Cの電流密度にて行った後、放電を3.0Vまで0.1Cの電流密度にて行い、その時の初期充電容量、初期放電容量(a)及び初期効率を測定した。
The initial charge / discharge characteristics and high-temperature storage characteristics of the coin cell were evaluated using lithium manganate particles.
First, 92% by weight of Li—Mn composite oxide as a positive electrode active material, 2.5% by weight of acetylene black and 2.5% by weight of graphite as a conductive material, and polyvinylidene fluoride 3 dissolved in N-methylpyrrolidone as a binder After mixing with wt%, it was applied to an Al metal foil and dried at 120 ° C. This sheet was punched out to 16 mmφ, and then pressure-bonded at 1.5 t / cm 2 to make the electrode thickness 50 μm for the positive electrode. The negative electrode was metallic lithium blanked into diameter of 16 mm, the electrolytic solution 3 EC and DEC in which LiPF 6 was dissolved in 1 mol / l at a volume ratio of: was prepared a coin cell of a CR2032 type using a mixed solution of 7.
The initial charge / discharge characteristics are as follows: at room temperature, charging is performed at a current density of 0.1C up to 4.5V, and then discharging is performed at a current density of 0.1C up to 3.0V. Capacity (a) and initial efficiency were measured.

また、高温保存特性として、容量維持率、容量回復率については、0.1Cで4.5Vまで充電を行い放電深度70%まで放電した後に、60℃で1週間放置した後の残留放電容量測定(c)を行なって容量維持率(=100×c/(0.3×a))とし、更にもう一度0.1Cで充放電を行なったときの放電容量測定(d)を行なって、容量回復率(=100×d/a)とした。
高温サイクル容量維持率については、60℃で1Cのレートで充放電を繰り返し、初回放電容量に対する30サイクル目の放電容量の割合とした。
As the high-temperature storage characteristics, the capacity retention rate and the capacity recovery rate are measured by measuring the residual discharge capacity after charging at 0.1 C to 4.5 V and discharging to a discharge depth of 70% and then leaving at 60 ° C. for 1 week. (C) is performed to obtain a capacity retention ratio (= 100 × c / (0.3 × a)), and further, discharge capacity measurement (d) is performed when charging / discharging is performed again at 0.1 C to recover the capacity. Rate (= 100 × d / a).
Regarding the high-temperature cycle capacity maintenance rate, charging / discharging was repeated at a rate of 1 C at 60 ° C., and the ratio of the discharge capacity at the 30th cycle to the initial discharge capacity was used.

実施例1 <マンガン酸リチウム粒子粉末の製造>
窒素通気のもと、3.5モルの水酸化ナトリウムに0.5モルの硫酸マンガンを加え全量を1Lとし、得られた水酸化マンガンを90℃で1時間熟成させた。熟成後、空気を通気させ90℃で酸化させ、水洗、乾燥後、酸化マンガン粒子粉末を得た。
Example 1 <Production of Lithium Manganate Particle Powder>
Under nitrogen aeration, 0.5 mol of manganese sulfate was added to 3.5 mol of sodium hydroxide to make the total amount 1 L, and the obtained manganese hydroxide was aged at 90 ° C. for 1 hour. After aging, air was passed through, oxidized at 90 ° C., washed with water and dried to obtain manganese oxide particles.

得られた酸化マンガン粒子粉末はMnであり、粒子形状は粒状であり、平均粒子径4.8μm、BET比表面積が0.6m/gであった。作製した酸化マンガン粒子のSEM像を観察したところ、それぞれの一次粒子は(111)面で囲まれた八面体をした単結晶であることが確認できた。 The obtained manganese oxide particle powder was Mn 3 O 4 , the particle shape was granular, the average particle size was 4.8 μm, and the BET specific surface area was 0.6 m 2 / g. When an SEM image of the produced manganese oxide particles was observed, it was confirmed that each primary particle was an octahedral single crystal surrounded by a (111) plane.

前記酸化マンガン粒子を含有する水懸濁液を、フィルタープレスを用いて5倍量の水で水洗を行った後、酸化マンガン粒子の濃度が10wt%となるように邂逅した。この懸濁液に対して0.2mol/lのアルミン酸ナトリウム水溶液をMn:Al=95:5となるように反応槽内に連続供給した。反応槽は攪拌機で常に攪拌を行いながら、同時に0.2mol/lの硫酸水溶液をpH=8±0.5となるように自動供給を行い、水酸化アルミニウムで被覆した酸化マンガン粒子を含む懸濁液を得た。
この懸濁液を、フィルタープレスを用いて酸化マンガン粒子の重量に対して10倍の水により水洗を行った後、乾燥を行い、Mn:Al=95:5の平均二次粒子径が4.8μmの水酸化アルミニウムで被覆された酸化マンガン粒子を得た。
The aqueous suspension containing the manganese oxide particles was washed with 5 times the amount of water using a filter press, and then poured so that the concentration of the manganese oxide particles became 10 wt%. A 0.2 mol / l sodium aluminate aqueous solution was continuously supplied into the reaction tank so that Mn: Al = 95: 5. While the reaction vessel is constantly stirred with a stirrer, a 0.2 mol / l sulfuric acid aqueous solution is automatically supplied so that the pH becomes 8 ± 0.5, and the suspension contains manganese oxide particles coated with aluminum hydroxide. A liquid was obtained.
This suspension was washed with water 10 times the weight of the manganese oxide particles using a filter press and then dried, and the average secondary particle size of Mn: Al = 95: 5 was 4. Manganese oxide particles coated with 8 μm aluminum hydroxide were obtained.

アルミニウム処理前の酸化マンガンのX線回折パターンを図1に、アルミニウム処理後の酸化マンガンのX線回折パターンを図2に示す。図2では、Al化合物に基づくピークも見られないことから、非常に微細で結晶性の低い状態であることが確認された。   An X-ray diffraction pattern of manganese oxide before aluminum treatment is shown in FIG. 1, and an X-ray diffraction pattern of manganese oxide after aluminum treatment is shown in FIG. In FIG. 2, since no peak based on the Al compound is observed, it was confirmed that the film was very fine and low in crystallinity.

得られた水酸化アルミニウムで被覆したMn粒子粉末と炭酸リチウムとホウ酸とをLi:Mn:Al=1.072:1.828:0.10、ホウ酸中のホウ素がMnに対して2.0mol%の割合になるようにホウ酸を秤量、1時間乾式混合し、均一な混合物を得た。得られた混合物30gをアルミナるつぼに入れ、960℃、空気雰囲気で3時間保持してマンガン酸リチウム粒子粉末を得た。得られたマンガン酸リチウム粒子粉末を得た。X線回折では、添加したホウ素ならびにホウ素化合物に関するピークは検出されず、マンガン酸リチウム単相であることが確認された。得られたマンガン酸リチウム粉末のSEM像を図3に示す。図3に示すとおり、粒子の角張った部分が無く、丸みを帯びた粒子であることが確認できる。 The obtained Mn 3 O 4 particle powder coated with aluminum hydroxide, lithium carbonate, and boric acid were mixed with Li: Mn: Al = 1.072: 1.828: 0.10, and boron in boric acid with respect to Mn. Then, boric acid was weighed to a ratio of 2.0 mol% and dry-mixed for 1 hour to obtain a uniform mixture. 30 g of the obtained mixture was put in an alumina crucible and kept at 960 ° C. in an air atmosphere for 3 hours to obtain lithium manganate particles. The obtained lithium manganate particle powder was obtained. In the X-ray diffraction, no peaks related to the added boron and boron compound were detected, and it was confirmed to be a lithium manganate single phase. The SEM image of the obtained lithium manganate powder is shown in FIG. As shown in FIG. 3, it can be confirmed that the particles are not rounded and rounded.

得られたマンガン酸リチウム粒子粉末は、組成がLi1+xMn2−x−yとした場合に、xが0.072、yが0.10であり、Y2元素(ホウ素)の存在量はMnに対して1.00mol%であり、平均一次粒子径が5.0μmであり、二次粒子(挙動粒子)の平均粒径(D50)が9.5μmであり、BET比表面積値が0.38m/g、I(400)/I(111)は51%であり、I(440)/I(111)は27%であり、格子定数は0.8204nmであった。 The obtained lithium manganate particle powder has a composition of Li 1 + x Mn 2−xy O 4 , x is 0.072, y is 0.10, and the amount of Y2 element (boron) present is It is 1.00 mol% with respect to Mn, the average primary particle diameter is 5.0 μm, the average particle diameter (D 50 ) of the secondary particles (behavior particles) is 9.5 μm, and the BET specific surface area value is 0 .38 m 2 / g, I (400) / I (111) was 51%, I (440) / I (111) was 27%, and the lattice constant was 0.8204 nm.

また、マンガン酸リチウム粉末5g、純水100mlを200mlビーカーに入れ、7分間煮沸させ、冷却後に、No5Bのろ紙でろ過させた溶液使用して、ICPで元素を同定する、可溶性試験の結果を行った。その結果、ホウ素(Y2元素)は全溶解していた。従って、Y2元素のホウ素は、マンガン酸リチウム粒子粉末の粒子表面にのみ存在することが確認された。また、ホウ素が溶解する量と比例してLiが溶解していたので、ホウ素はLiと化合物化していると推定される。   In addition, 5 g of lithium manganate powder and 100 ml of pure water were placed in a 200 ml beaker, boiled for 7 minutes, cooled, and then filtered with No5B filter paper to identify elements by ICP. It was. As a result, boron (Y2 element) was completely dissolved. Therefore, it was confirmed that boron of Y2 element exists only on the particle surface of the lithium manganate particle powder. Further, since Li was dissolved in proportion to the amount of boron dissolved, it is estimated that boron is compounded with Li.

ここで得たマンガン酸リチウム粒子粉末からなる正極活物質を用いて作製したコイン型電池は、初期放電容量が110mAh/gであった。60℃、1週間保存後の容量維持率(RTN)、容量回復率(RCV)はそれぞれ59%、99%であり、60℃で30サイクル後の容量維持率は98%であった。   The coin-type battery produced using the positive electrode active material made of the lithium manganate particles obtained here had an initial discharge capacity of 110 mAh / g. The capacity retention ratio (RTN) and capacity recovery ratio (RCV) after storage at 60 ° C. for 1 week were 59% and 99%, respectively, and the capacity retention ratio after 30 cycles at 60 ° C. was 98%.

実施例1で得られたマンガン酸リチウム粒子を樹脂に混練してクロスセクションポリッシャーで粒子を切断し、その断面のMn及びAlのEPMAマッピングの結果を図4に示す。AlがMn同様に粒子断面で一様に分布していることが分かる。   The lithium manganate particles obtained in Example 1 were kneaded with a resin, the particles were cut with a cross section polisher, and the results of EPMA mapping of Mn and Al in the cross section are shown in FIG. It can be seen that Al is uniformly distributed in the cross section of the particles as in Mn.

実施例2〜6
Y2元素を含む添加物の添加割合及び焼成条件を種々変化させた以外は、前記実施例1と同様にしてマンガン酸リチウム粒子粉末を得た。
このときの製造条件を表1に、得られたマンガン酸リチウム粒子粉末の諸特性を表2に示す。
Examples 2-6
A lithium manganate particle powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that the addition ratio of the additive containing the Y2 element and the firing conditions were variously changed.
The production conditions at this time are shown in Table 1, and the characteristics of the obtained lithium manganate particles are shown in Table 2.

比較例1
酸化マンガン(MnO)(平均粒径15μm)、水酸化アルミニウム(Al(OH))及び炭酸リチウムを混合した後、960℃で焼成して、マンガン酸リチウム粒子粉末を得た。
Comparative Example 1
Manganese oxide (MnO 2 ) (average particle size 15 μm), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ) and lithium carbonate were mixed and then fired at 960 ° C. to obtain lithium manganate particle powder.

比較例2〜4
用いる酸化マンガンの種類、アルミニウムの被覆量、ホウ素添加量、及び焼成条件を種々変化させた以外は、前記実施例1と同様にしてマンガン酸リチウム粒子粉末を得た。
このときの製造条件を表1に、得られたマンガン酸リチウム粒子粉末の諸特性を表2に示す。
Comparative Examples 2-4
Lithium manganate particles were obtained in the same manner as in Example 1 except that the type of manganese oxide to be used, the amount of aluminum coating, the amount of boron added, and the firing conditions were variously changed.
The production conditions at this time are shown in Table 1, and the characteristics of the obtained lithium manganate particles are shown in Table 2.

比較例2で得られたマンガン酸リチウム粒子粉末について、前記実施例2と同様にして、粒子断面のMn及びAlのEPMAマッピングを行った。その結果を図5に示す。図5に示すとおり、Alは表面に局在しており、均一に存在するものではなかった。   About the lithium manganate particle powder obtained in Comparative Example 2, EPMA mapping of Mn and Al of the particle cross section was performed in the same manner as in Example 2. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 5, Al was localized on the surface and was not present uniformly.

比較例5
酸化マンガン(MnO)(平均粒径15μm)、水酸化アルミニウム(Al(OH))、ホウ酸及び炭酸リチウムを混合した後、960℃で焼成して、マンガン酸リチウム粒子粉末を得た。
Comparative Example 5
Manganese oxide (MnO 2 ) (average particle size 15 μm), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), boric acid and lithium carbonate were mixed and then fired at 960 ° C. to obtain lithium manganate particle powder.

実施例2〜6について、実施例1と同様にして可溶性試験の結果を行った。
その結果、実施例2〜6のマンガン酸リチウム粒子粉末に存在するホウ素(Y2元素)は全溶解していた。従って、Y2元素のホウ素は、マンガン酸リチウム粒子粉末の粒子表面にのみ存在することが確認された。また、ホウ素が溶解する量と比例してLiが溶解していたので、ホウ素はLiと化合物化していると推定される。
About Example 2-6, it carried out similarly to Example 1, and performed the result of the solubility test.
As a result, boron (Y2 element) present in the lithium manganate particles of Examples 2 to 6 was completely dissolved. Therefore, it was confirmed that boron of Y2 element exists only on the particle surface of the lithium manganate particle powder. Further, since Li was dissolved in proportion to the amount of boron dissolved, it is estimated that boron is compounded with Li.

本発明に係るマンガン酸リチウム粒子粉末は、粒子内部にAl,Co又はMg等の異種金属が均一に存在し、しかも、結晶性が高いので、出力特性が高く、高温保存特性に優れた二次電池用の正極活物質として好適である。
The lithium manganate particle powder according to the present invention is a secondary material in which different metals such as Al, Co or Mg are uniformly present inside the particle, and since the crystallinity is high, the output characteristics are high and the high temperature storage characteristics are excellent. It is suitable as a positive electrode active material for batteries.

実施例1のAl処理前の酸化マンガンのX線回折パターンX-ray diffraction pattern of manganese oxide before Al treatment in Example 1 実施例1のAl処理後の酸化マンガンのX線回折パターンX-ray diffraction pattern of manganese oxide after Al treatment in Example 1 実施例1で得られたマンガン酸リチウム粉末のSEM像SEM image of lithium manganate powder obtained in Example 1 実施例1で得られたマンガン酸リチウム粒子を樹脂に混練してクロスセクションポリッシャーで粒子を切断し、その断面のMn及びAlのEPMAマッピングThe lithium manganate particles obtained in Example 1 were kneaded into a resin, the particles were cut with a cross section polisher, and EPMA mapping of Mn and Al in the cross section. 比較例2で得られたマンガン酸リチウム粒子を樹脂に混練してクロスセクションポリッシャーで粒子を切断し、その断面のMn及びAlのEPMAマッピングThe lithium manganate particles obtained in Comparative Example 2 were kneaded into a resin, the particles were cut with a cross section polisher, and EPA mapping of Mn and Al in the cross section.

Claims (12)

一次粒子径が1μm〜10μmであって、実質的に単相粒子を形成するマンガン酸リチウム粒子粉末であり、
化学式:Li1+xMn2−x−yY1+Y2(Y1=Al、Y2=融点が800℃以下である焼結助剤を構成する元素B、0.03≦x≦0.15、0.05≦y≦0.20、Y2:Mnに対して0.1mol%〜2.5mol%)を満たし、且つ、Y1元素が粒子内部に分散しており、X線回折強度のI(400)/I(111)が38%以上であってI(440)/I(111)が18%以上であることを特徴とするマンガン酸リチウム粒子粉末。
Lithium manganate particles having a primary particle diameter of 1 μm to 10 μm and substantially forming single phase particles,
Formula: Li 1 + x Mn 2- x-y Y1 y O 4 + Y2 (Y1 = Al, Y2 = elemental melting point that make up the sintering aid is at 800 ° C. or less B, 0.03 ≦ x ≦ 0.15, 0.05 ≦ y ≦ 0.20, Y2: 0.1 mol% to 2.5 mol% with respect to Mn), and the Y1 element is dispersed inside the particle, and the X-ray diffraction intensity I (400 ) / I (111) is 38% or more, and I (440) / I (111) is 18% or more.
格子定数が0.818〜0.821nmであることを特徴とする請求項1に記載のマンガン酸リチウム粒子粉末。 2. The lithium manganate particles according to claim 1, wherein the lattice constant is 0.818 to 0.821 nm. 比表面積が0.3〜1.25m/g(BET法)である請求項1又は2に記載のマンガン酸リチウムの粒子粉末。 3. The lithium manganate particle powder according to claim 1, wherein the specific surface area is 0.3 to 1.25 m 2 / g (BET method). 平均粒径(D50)が1.0〜15μmである請求項1〜3のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末。 4. The lithium manganate particle powder according to claim 1, which has an average particle diameter (D50) of 1.0 to 15 μm. 炭酸リチウムと、Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物を被覆した酸化マンガンと、融点が800℃以下である焼結助剤とを混合した後、当該混合物を800℃〜1050℃で焼成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法。 After mixing lithium carbonate, manganese oxide coated with a compound of at least one element selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti, and a sintering aid having a melting point of 800 ° C. or less The method for producing a lithium manganate particle powder according to any one of claims 1 to 4, wherein the mixture is fired at 800 ° C to 1050 ° C. Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物を被覆した酸化マンガンが、酸化マンガンを含有する水懸濁液に対して、Ni、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の塩を含有する水溶液を添加し懸濁液のpHを調整して、酸化マンガンの粒子表面にNi、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物の被覆を形成することによって得られる請求項5記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法。 Manganese oxide coated with a compound of at least one element selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr, and Ti, Ni, Co, Mg, Fe with respect to an aqueous suspension containing manganese oxide. An aqueous solution containing a salt of at least one element selected from Al, Cr, Ti is added to adjust the pH of the suspension, and Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr are formed on the surface of the manganese oxide particles. The method for producing a lithium manganate particle powder according to claim 5, which is obtained by forming a coating of a compound of at least one element selected from Ti. 酸化マンガンの粒子表面に形成されたNi、Co、Mg、Fe、Al、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の化合物が、X線回折で非晶質である請求項6記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法。 The manganic acid according to claim 6, wherein the compound of at least one element selected from Ni, Co, Mg, Fe, Al, Cr and Ti formed on the surface of the manganese oxide particles is amorphous by X-ray diffraction. Method for producing lithium particle powder. 酸化マンガンは、実質的に単結晶であり、平均粒径が1μm以上である請求項5〜7のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末の製造方法。 The method for producing lithium manganate particle powder according to any one of claims 5 to 7, wherein the manganese oxide is substantially single crystal and has an average particle diameter of 1 µm or more. 請求項1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質またはその一部として用いた非水電解液二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery using the lithium manganate particle powder according to claim 1 as a positive electrode active material or a part thereof. マンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質として用い、1mol/lのLiPFが添加されている非水電解質溶液(EC:DEC=3:7の割合で混合)を用い、負極には厚さ150μmのLi箔を用いたCR2032型の非水電解液二次電池において、充放電容量を測定した場合に、初期の放電容量が80mAh/g以上、110mAh/g以下である請求項1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末。 Using a lithium manganate particle powder as a positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte solution (mixed at a ratio of EC: DEC = 3: 7) to which 1 mol / l LiPF 6 is added is used, and the negative electrode has a thickness of 150 μm. The CR2032-type nonaqueous electrolyte secondary battery using Li foil has an initial discharge capacity of 80 mAh / g or more and 110 mAh / g or less when charge / discharge capacity is measured. The lithium manganate particle powder according to claim 1. マンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質として用い、1mol/lのLiPFが添加されている非水電解質溶液(EC:DEC=3:7の割合で混合)を用い、負極には厚さ150μmのLi箔を用いたCR2032型の非水電解液二次電池において、60℃の恒温槽にて1時間率で30サイクル充電放電試験を行った際に、1サイクル目と30サイクル目の放電容量の割合が93%以上である請求項1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末。 Using a lithium manganate particle powder as a positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte solution (mixed at a ratio of EC: DEC = 3: 7) to which 1 mol / l LiPF 6 is added is used, and the negative electrode has a thickness of 150 μm. In a CR2032-type non-aqueous electrolyte secondary battery using Li foil, when a 30-cycle charge / discharge test was performed at a rate of 1 hour in a constant temperature bath at 60 ° C., the discharge capacities of the first and 30th cycles were The lithium manganate particle powder according to any one of claims 1 to 4, wherein the ratio is 93% or more. マンガン酸リチウム粒子粉末を正極活物質として用い、1mol/lのLiPFが添加されている非水電解質溶液(EC:DEC=3:7の割合で混合)を用い、負極には厚さ150μmのLi箔を用いたCR2032型の非水電解液二次電池において、0.1Cの時間率で3.0−4.5Vの電圧で充放電した際の初期放電容量測定(a)後、0.1Cの時間率で4.5Vまで充電を行い放電深度70%まで放電した後に、60℃で1週間放置した後、更に、0.1Cで充放電を行なったときの放電容量測定(d)を行なって、容量回復率(=100×d/a)としたときの容量回復率が95%以上である請求項1〜4のいずれかに記載のマンガン酸リチウム粒子粉末。 Using a lithium manganate particle powder as a positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte solution (mixed at a ratio of EC: DEC = 3: 7) to which 1 mol / l LiPF 6 is added is used, and the negative electrode has a thickness of 150 μm. In a CR2032-type nonaqueous electrolyte secondary battery using Li foil, after initial charge capacity measurement (a) when charging / discharging at a voltage of 3.0-4.5 V at a time rate of 0.1 C, 0. After charging to 4.5 V at a time rate of 1 C and discharging to a discharge depth of 70%, after leaving at 60 ° C. for 1 week, and further charging and discharging at 0.1 C, discharge capacity measurement (d) The lithium manganate particle powder according to any one of claims 1 to 4, wherein the capacity recovery rate when the capacity recovery rate (= 100 x d / a) is 95% or more.
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