JP5263761B2 - Monoclinic lithium manganese composite oxide having cation ordered structure and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new material which exhibits excellent charge and discharge characteristics in comparison with a known inexpensive positive electrode material for a lithium ion battery, by using a raw material being little restricted in terms of natural resources and inexpensive. <P>SOLUTION: The new material is a lithium manganese-based compound oxide represented by composition formula: Li<SB>1+x</SB>(Mn<SB>1-m-n</SB>Fe<SB>m</SB>Ti<SB>n</SB>)<SB>1-x</SB>O<SB>2</SB>(wherein, 0&lt;x&lt;1/3; 0&le;m&le;0.60; 0&le;n&le;0.80; and 0&lt;m+n&le;0.80) and containing a crystal phase having a monoclinic Li<SB>2</SB>MnO<SB>3</SB>type layered rock-salt structure. In a hexagonal network ordered structure in a transition metal-containing layer of the crystal phase of the monoclinic Li<SB>2</SB>MnO<SB>3</SB>type layered rock-salt structure, the occupying ratio of a transition metal in the positions constituting hexagonal network lattice is higher than that of the occupying ratio of the transition metal in the hexagonal network central positions. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、次世代低コストリチウムイオン二次電池の正極材料として有用なリチウムマンガン系複合酸化物およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium manganese composite oxide useful as a positive electrode material for a next-generation low-cost lithium ion secondary battery and a method for producing the same.

現在、我が国において、携帯電話、ノートパソコンなどのポータブル機器に搭載されている二次電池のほとんどは、リチウムイオン二次電池である。また、リチウムイオン二次電池は、今後、電気自動車、電力負荷平準化システムなどの大型電池としても実用化されるものと予想されており、その重要性はますます高まっている。   Currently, in Japan, most of secondary batteries installed in portable devices such as mobile phones and notebook computers are lithium ion secondary batteries. In addition, lithium ion secondary batteries are expected to be put into practical use as large batteries for electric vehicles, power load leveling systems, and the like, and their importance is increasing.

現在、リチウムイオン二次電池においては、正極材料としては主にリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)材料が使用され、負極材料としては黒鉛などの炭素材料が使用されている。 Currently, in lithium ion secondary batteries, a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) material is mainly used as a positive electrode material, and a carbon material such as graphite is used as a negative electrode material.

この様なリチウムイオン二次電池では、正極材料において可逆的に脱離(充電に相当)、挿入(放電に相当)するリチウムイオン量が電池の容量を決定づけ、脱離・挿入時の電圧が電池の作動電圧を決定づけるために、正極材料であるLiCoO2は、電池性能に関連する重要な電池構成材料である。このため、今後のリチウムイオン二次電池の用途拡大・大型化に伴い、リチウムコバルト酸化物は、一層の需要増加が予想されている。 In such a lithium ion secondary battery, the amount of lithium ions reversibly desorbed (equivalent to charging) and inserted (equivalent to discharging) in the positive electrode material determines the capacity of the battery, and the voltage at the time of desorption / insertion is the battery. LiCoO 2 as a positive electrode material is an important battery constituent material related to battery performance. For this reason, the demand for lithium cobalt oxide is expected to increase further with the future expansion and enlargement of lithium ion secondary batteries.

しかしながら、リチウムコバルト酸化物は、希少金属であるコバルトを多量に含むために、リチウムイオン二次電池の素材コスト高の要因の一つとなっている。さらに、現在コバルト資源の約20%が電池産業に用いられていることを考慮すれば、LiCoO2からなる正極材料のみでは今後の需要拡大に対応することは困難と考えられる。 However, since lithium cobalt oxide contains a large amount of rare metal cobalt, it is one of the causes of high material costs of lithium ion secondary batteries. Furthermore, considering that about 20% of cobalt resources are currently used in the battery industry, it is considered difficult to meet future demand growth with only the cathode material made of LiCoO 2 .

現在、より安価で資源的に制約の少ない正極材料として、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)等が報告されており、一部代替材料として実用
化されている。しかしながらリチウムニッケル酸化物には充電時に電池の安全性を低下させるという問題があり、リチウムマンガン酸化物には高温(約60℃)充放電時に3価のマン
ガンが電解液中に溶出し、それが電池性能を著しく劣化させるという問題があり、これらの材料への代替はあまり進んでいない。またリチウムマンガン酸化物のなかでLiMnO2という正極材料も提案されているが、この材料も充放電に伴ってもとの構造から徐々にスピネル型の結晶構造に変化し、充放電曲線の形状が充放電サイクルの進行に伴い大きく変化することから実用化には至っていない。
Currently, lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) and lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) have been reported as cheaper and less resource-constrained positive electrode materials, and some have been put into practical use as alternative materials. Yes. However, lithium nickel oxide has the problem of reducing the safety of the battery during charging, and lithium manganese oxide elutes trivalent manganese into the electrolyte during charge and discharge at high temperatures (about 60 ° C). There is a problem that the battery performance is significantly deteriorated, and the substitution to these materials is not so advanced. Among the lithium manganese oxides, a positive electrode material called LiMnO 2 has also been proposed, but this material also gradually changes from its original structure to the spinel crystal structure with charge and discharge, and the shape of the charge / discharge curve changes. Since it changes greatly with the progress of the charge / discharge cycle, it has not been put into practical use.

また、マンガンおよびニッケルに比べて、資源的により一層豊富であり、毒性が低く、安価な鉄を含むリチウムフェライト(LiFeO2)について、電極材料としての可能性が検討されている。しかしながら、通常の製造法、すなわち鉄源とリチウム源とを混合し高温焼成することによって得られるリチウムフェライトは、ほとんど充放電しないので、リチウムイオン二次電池正極材料として用いることはできない。 Further, lithium ferrite (LiFeO 2 ) containing iron, which is more abundant in resources, less toxic, and cheaper than manganese and nickel, has been studied as a potential electrode material. However, since lithium ferrite obtained by a normal manufacturing method, that is, by mixing an iron source and a lithium source and firing at high temperature, hardly charges or discharges, it cannot be used as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery.

一方、イオン交換法により得られるLiFeO2が充放電可能であることが報告されているが(下記特許文献1および2参照)、これらの材料の平均放電電圧は2.5V以下でありLiCoO2の値(約3.7V)に比べて著しく低いため、LiCoO2の代替とすることは困難である。 On the other hand, LiFeO 2 obtained by the ion exchange method has been reported to be chargeable / dischargeable (see Patent Documents 1 and 2 below), but the average discharge voltage of these materials is 2.5 V or less and the value of LiCoO 2 Since it is significantly lower than (approximately 3.7V), it is difficult to replace LiCoO 2 .

本発明者らは、すでに、鉄に次いで安価かつ資源的に豊富なリチウムマンガン酸化物(Li2MnO3)とリチウムフェライトとからなる層状岩塩型構造の固溶体(Li1+x(FeyMn1-y)1-xO
2、(0<x<1/3, 0<y<1)、以下「鉄含有Li2MnO3」という)が、室温での充放電試験においてはリチウムコバルト酸化物並の4V近い平均放電電圧を有することを見出している(下記特
許文献3および4参照)。
The present inventors have already described a layered rock salt type solid solution (Li 1 + x (Fe y Mn 1 ) composed of lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) and lithium ferrite, which are cheaper and resource-rich after iron. -y ) 1-x O
2 , (0 <x <1/3, 0 <y <1), hereinafter referred to as “iron-containing Li 2 MnO 3 ”, is an average discharge voltage close to 4 V, comparable to lithium cobalt oxide, in charge and discharge tests at room temperature (See Patent Documents 3 and 4 below).

更に、本発明者らは、特定の条件を満足するリチウム−鉄−マンガン複合酸化物が、高温サイクル試験時にLiMn2O4より高容量(150mAh/g)かつ安定した充放電サイクル特性を示
すことを見出している(下記特許文献5参照)。さらに、鉄以外の元素としてチタンを加
えることにより得られる、六方晶層状岩塩型構造の固溶体リチウム−鉄−チタン−マンガンまたはリチウム−チタン−マンガン複合酸化物も、リチウム−鉄−マンガン複合酸化物と同様に250mAh/gを超える放電容量を有し、優れた充放電特性を有していることを見出している(下記特許文献6参照)。
Furthermore, the present inventors show that a lithium-iron-manganese composite oxide satisfying specific conditions exhibits a higher capacity (150 mAh / g) and stable charge / discharge cycle characteristics than LiMn 2 O 4 during a high-temperature cycle test. (See Patent Document 5 below). Furthermore, a solid solution lithium-iron-titanium-manganese or lithium-titanium-manganese composite oxide having a hexagonal layered rock salt structure obtained by adding titanium as an element other than iron is also a lithium-iron-manganese composite oxide. Similarly, it has been found that it has a discharge capacity exceeding 250 mAh / g and has excellent charge / discharge characteristics (see Patent Document 6 below).

以上の通り、リチウムコバルト系正極材料に代わり得るリチウムマンガン系正極材料について種々の報告がなされているが、より一層の充放電特性改善のためには、正極材料の化学組成、結晶構造や製造条件についてのさらなる最適化が望まれている。
特開平10-120421号公報 特開平8-295518号公報 特開2002-68748号公報 特開2002-121026号公報 特開2005-154256号公報 特開2008-63211号公報
As described above, various reports have been made on lithium manganese-based positive electrode materials that can replace lithium cobalt-based positive electrode materials. However, in order to further improve the charge / discharge characteristics, the chemical composition, crystal structure and manufacturing conditions of the positive electrode material Further optimization is desired.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-120421 JP-A-8-295518 JP 2002-68748 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-121026 JP 2005-154256 A JP 2008-63211 A

本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、長期間の充放電サイクルにおいて3V以上の平均放電電圧を保持でき、且つリチウムコバルト酸化物系正極材料と同等若しくはそれ以上の放電容量を有する材料であって、資源的な制約が少なく且つ安価な原料を使用して得ることができ、更に、公知の低価格の正極材料と比較して、より優れた充放電特性を発揮できる新規な材料を提供することである。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main object is to maintain an average discharge voltage of 3 V or more in a long-term charge / discharge cycle and to provide a lithium cobalt oxide-based positive electrode material. Is a material having a discharge capacity equivalent to or higher than that, can be obtained by using raw materials with less resource restrictions and cheaper, and more excellent than known low-cost positive electrode materials. It is another object of the present invention to provide a novel material capable of exhibiting excellent charge / discharge characteristics.

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、リチウムマンガン酸化物(Li2MnO3)にFe及び/またはTiを固溶させたリチウムマンガン系複合酸化
物において、Mn、Fe及びTiからなる遷移金属イオンが、公知のリチウムマンガン複合酸化物(六方晶層状岩塩型構造)とは異なる特有な分布状態にある新規な単斜晶系複合酸化物が、上記した目的を達成し得る優れた性能を有するものであり、特に、良好な充放電サイクル特性を有することを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, in the lithium manganese complex oxide in which Fe and / or Ti are dissolved in lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ), the transition metal ion composed of Mn, Fe and Ti is converted into the known lithium manganese complex oxidation. A new monoclinic complex oxide having a unique distribution state different from that of a hexagonal layered rock salt structure has excellent performance capable of achieving the above-mentioned purpose, It discovered that it had a discharge cycle characteristic, and came to complete this invention here.

即ち、本発明は、下記のリチウムマンガン系複合酸化物、その製造方法、リチウムマンガン系複合酸化物からなるリチウムイオン二次電池正極材料及びリチウムイオン二次電池を提供するものである。
1. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2(式中、各添字は次の通りである:0<x<1/3, 0≦m≦0.60, 0≦n≦0.80, 0<m+n≦0.80)で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有
する結晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物であって、
該単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の遷移金属含有層内の六角網目規則構造にお
いて、六角網目格子構成位置の遷移金属占有率が、六角網目中心位置の遷移金属占有率より大きいことを特徴とするリチウムマンガン系複合酸化物。
2. 単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の単相、又は単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相と立方晶岩塩型構造の結晶相の混合相からなる上記項1に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
3. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2において、0.05≦m+n≦0.80である上記項1又は2に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
4. チタン化合物及び鉄化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物と、マンガン化合物を含む水溶液をアルカリ性として沈殿を形成した後、形成された沈殿物をリチウム化合物の存在下で焼成することを特徴とする、上記項1〜3のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法。
5. チタン化合物及び鉄化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物と、マンガン化合物を含む水溶液をアルカリ性として沈殿を形成した後、形成された沈殿物を酸化剤および水溶性リチウム化合物と共にアルカリ性条件下で水熱処理することを特徴とする、上記項1〜3のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法。
6. チタン化合物及び鉄化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物と、マンガン化合物を含む水溶液をアルカリ性として沈殿を形成した後、形成された沈殿物を酸化剤および水溶性リチウム化合物と共にアルカリ性条件下で水熱処理した後、リチウム化合物の存在下で焼成することを特徴とする、上記項1〜3のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法。
7. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2(式中、各添字は次の通りである:0<x<1/3, 0≦m≦0.60, 0≦n≦0.80, 0<m+n≦0.80)で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有
する結晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物であって、
該単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の遷移金属含有層内の六角網目規則構造にお
いて、六角網目格子構成位置の遷移金属占有率が、六角網目中心位置の遷移金属占有率より大きいリチウムマンガン系複合酸化物からなるリチウムイオン二次電池正極材料。
8. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2(式中、各添字は次の通りである:0<x<1/3, 0≦m≦0.60, 0≦n≦0.80, 0<m+n≦0.80)で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有
する結晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物であって、該単斜晶Li2MnO3型層状岩塩
型構造の結晶相の遷移金属含有層内の六角網目規則構造において、六角網目格子構成位置の遷移金属占有率が、六角網目中心位置の遷移金属占有率より大きいリチウムマンガン系複合酸化物からなるリチウムイオン二次電池正極材料を構成要素とするリチウムイオン二次電池。
That is, the present invention provides the following lithium manganese composite oxide, a production method thereof, a lithium ion secondary battery positive electrode material and a lithium ion secondary battery comprising the lithium manganese composite oxide.
1. Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 (wherein the subscripts are as follows: 0 <x <1/3, 0 ≦ m ≦ 0.60, 0 ≦ n ≦ 0.80, 0 <m + n ≦ 0.80), and a lithium manganese based composite oxide containing a crystal phase having a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure,
In the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer of the crystal phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure, the transition metal occupancy at the hexagonal network lattice position is the transition metal occupancy at the hexagonal network center position. Lithium manganese complex oxide characterized by being larger.
2. Crystalline single phase of monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock-salt structure, or monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock-salt type structure crystalline phase and the cubic of crystalline phase mixed phase of the rock salt structure above Item 2. The lithium manganese composite oxide according to Item 1.
3. The lithium manganese-based composite oxide according to Item 1 or 2, wherein in the composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 , 0.05 ≦ m + n ≦ 0.80.
4). At least one compound selected from the group consisting of a titanium compound and an iron compound and an aqueous solution containing a manganese compound are made alkaline to form a precipitate, and then the formed precipitate is fired in the presence of a lithium compound. The method for producing a lithium manganese composite oxide according to any one of Items 1 to 3.
5. At least one compound selected from the group consisting of a titanium compound and an iron compound and an aqueous solution containing a manganese compound are made alkaline to form a precipitate, and then the formed precipitate is combined with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions. 4. The method for producing a lithium manganese composite oxide according to any one of Items 1 to 3, wherein hydrothermal treatment is performed.
6). At least one compound selected from the group consisting of a titanium compound and an iron compound and an aqueous solution containing a manganese compound are made alkaline to form a precipitate, and then the formed precipitate is combined with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions. Item 4. The method for producing a lithium manganese composite oxide according to any one of Items 1 to 3, wherein after the hydrothermal treatment, firing is performed in the presence of a lithium compound.
7). Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 (wherein the subscripts are as follows: 0 <x <1/3, 0 ≦ m ≦ 0.60, 0 ≦ n ≦ 0.80, 0 <m + n ≦ 0.80), and a lithium manganese based composite oxide containing a crystal phase having a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure,
In the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer of the crystal phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure, the transition metal occupancy at the hexagonal network lattice position is the transition metal occupancy at the hexagonal network center position. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery comprising a larger lithium manganese composite oxide.
8). Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 (wherein the subscripts are as follows: 0 <x <1/3, 0 ≦ m ≦ 0.60, 0 ≦ n ≦ 0.80, 0 <m + n ≦ 0.80), and a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure containing a crystalline phase comprising a lithium manganese-based composite oxide, the monoclinic Li 2 In the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer of the crystalline phase of the MnO 3 type layered rock salt structure, the lithium manganese system in which the transition metal occupancy at the hexagonal network lattice position is larger than the transition metal occupancy at the hexagonal network center position A lithium ion secondary battery comprising a lithium ion secondary battery positive electrode material made of a composite oxide as a constituent element.

以下、本発明のリチウムマンガン系複合酸化物及びその製造方法について具体的に説明する。   Hereinafter, the lithium manganese composite oxide and the method for producing the same of the present invention will be specifically described.

リチウムマンガン系複合酸化物
本発明のリチウムマンガン系複合酸化物は、組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2 (式中、各添字は以下の通りである:0<x<1/3, 0≦m≦0.60, 0≦n≦0.80, 0<m+n≦0.80)で表される酸化物であって、酸化物の一般的な結晶構造である岩塩型構造を基本とするものであり、公知物質であるLi2MnO3(P. Strobel and B. Lanbert-Andron, Journal of Solid State Chemistry,75, 90-98 (1988).以下、「参考文献」という)と同じ空間群
Lithium manganese composite oxide of lithium manganese-based composite oxide present invention, the composition formula: Li 1 + x in (Mn 1-mn Fe m Ti n) 1-x O 2 ( wherein each subscript as follows Yes: 0 <x <1/3, 0 ≦ m ≦ 0.60, 0 ≦ n ≦ 0.80, 0 <m + n ≦ 0.80), which is a general crystal structure of the oxide Li 2 MnO 3 (P. Strobel and B. Lanbert-Andron, Journal of Solid State Chemistry, 75, 90-98 (1988). The same space group as

Figure 0005263761
を有する単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相を含むものである。但し、本発明のリ
チウムマンガン系複合酸化物は、上記した単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内において、Mn以外に、Feおよび/またはTiからなる遷移金属(以下、Mn、Fe及びTiからなる遷移金属をMと略記することがある)を含むという点で、公知物質(Li2MnO3)とは異なる。また、そ
の結晶構造および陽イオン分布は、LiCoO2、LiNiO2、LiNi0.5Mn0.5O2や、特許文献6に記載されているLi1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2 等に代表される空間群
Figure 0005263761
It contains a crystal phase of monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure with However, the lithium manganese-based composite oxide of the present invention has a transition metal composed of Fe and / or Ti in addition to Mn (hereinafter referred to as Mn, Fe, and Mn) in the above monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure. It differs from a known substance (Li 2 MnO 3 ) in that it contains a transition metal composed of Ti (may be abbreviated as M). The crystal structure and cation distribution are LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2, and Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x described in Patent Document 6. Space groups represented by O 2 etc.

Figure 0005263761
を有する六方晶層状岩塩型構造とも異なっている。
Figure 0005263761
It is also different from the hexagonal layered rock-salt type structure.

本発明のリチウムマンガン系複合酸化物は、上記した特有な陽イオン分布を有する単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相を含んでいればよく、陽イオン分布の異なる他の岩
塩型構造(例えば立方晶岩塩型構造など)の結晶相を含む混合相であっても良い。
The lithium manganese-based composite oxide of the present invention only needs to include a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure crystal phase having the above-mentioned specific cation distribution, and other rock salts having different cation distributions. A mixed phase including a crystal phase of a mold structure (such as a cubic rock salt structure) may be used.

例えば、上記した特有の陽イオン分布を有する単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の単相
であってもよく、或いは、この様な単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の他に、α-LiFeO2に類似する立方晶岩塩型構造の空間群
For example, it may be a single phase of monoclinic Li 2 MnO 3 type lamellar rock salt structure having the above-mentioned specific cation distribution, or such monoclinic Li 2 MnO 3 type lamellar rock salt type structure. Space group of cubic rock salt structure similar to α-LiFeO 2 in addition to crystalline phase

Figure 0005263761
の結晶相を含む混合相であってもよい。
Figure 0005263761
It may be a mixed phase including the crystal phase of

この場合、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相と立方晶岩塩型構造の結晶相の割
合は、通常、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造結晶相:立方晶岩塩型構造結晶相(重量比
)=100:0〜10:90程度の範囲であればよい。
In this case, the ratio of the crystal phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 layered rock salt structure and the crystal phase of the cubic rock salt structure is usually the monoclinic Li 2 MnO 3 layered rock salt structure crystal phase: cubic The rock salt structure crystal phase (weight ratio) may be in the range of about 100: 0 to 10:90.

図1及び図2は、本発明のリチウムマンガン系複合酸化物の結晶構造を上記参考文献のLi2MnO3を基にして模式的に表す図面であり、図1は、層状岩塩型構造に特徴的なLi単独
層と遷移金属含有層(M-Li層)の積層状態を示す図面であり、図2は、図1を90°回転させて得られるM-Li層内のLi,M配列を示した図面である。
FIGS. 1 and 2 are diagrams schematically showing the crystal structure of the lithium manganese composite oxide of the present invention based on Li 2 MnO 3 of the above-mentioned reference, and FIG. 1 is characterized by a layered rock salt structure. FIG. 2 is a diagram showing a laminated state of a typical Li single layer and a transition metal-containing layer (M-Li layer). FIG. 2 shows the Li and M arrangement in the M-Li layer obtained by rotating FIG. FIG.

以下、組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2で表される複合酸化物において、Fe及び/
またはTiが含まれる場合を例として、本発明の複合酸化物における陽イオン分布を説明する。
Hereinafter, in the composite oxide represented by the composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 , Fe and / or
Alternatively, the cation distribution in the composite oxide of the present invention will be described using a case where Ti is included as an example.

まず、図1においては、2種の結晶学的位置(4iおよび8j位置)を有する酸化物イオン
単独層を介して、それぞれ2種の異なった結晶学的位置を有する2c及び4h位置からなるLi
層と、2b及び4g位置からなるM-Li層が交互に積層されており、典型的な六方晶層状岩塩型構造を有するLiCoO2の結晶構造におけるLi層とCo層との積層の仕方と同様である。但し、LiCoO2の場合は各層内の結晶学的位置は1種類である点で本発明複合酸化物とは異なっている。
First, in FIG. 1, a Lic composed of 2c and 4h positions having two different crystallographic positions, respectively, through an oxide ion single layer having two kinds of crystallographic positions (4i and 8j positions).
Layers and M-Li layers consisting of 2b and 4g positions are alternately stacked, similar to the way of stacking Li and Co layers in a typical LiCoO 2 crystal structure with a hexagonal layered rock-salt structure It is. However, LiCoO 2 is different from the composite oxide of the present invention in that there is one kind of crystallographic position in each layer.

図2においては格子点4g位置に相当するMイオンは六角網目格子を形成し、Liイオンは
六角網目格子の中心位置(2b位置)を占めている。
In FIG. 2, M ions corresponding to the position of the lattice point 4g form a hexagonal mesh lattice, and Li ions occupy the center position (2b position) of the hexagonal mesh lattice.

公知物質であるLi2MnO3においてMnイオンが理想配列状態である場合には、4g位置にMn
が100%占有し、Li位置である2b、4h、2c位置にはMnイオンが存在しないはずであるが、実際にはMnイオンは100% 4g位置に存在するのではなく、上記参考文献においては4g位置に
は88%のみMnが占有し、残り12%のMnイオンは上記3つのLi位置(2b、4h、2c位置)のいず
れかに存在していると報告されている。仮に12%Mnがすべて六角網目中心位置(2b位置)に
存在していたとしても、4g位置のMn占有率(g4g、88%)の方が2b位置のMn占有率(g2b、12%)に比べて高いことになる。この差(g4g−g2b=76%)が六角網目規則配列度(S)として定
義される。
In Li 2 MnO 3 which is a known substance, when Mn ions are in an ideal arrangement state, Mn is located at the 4 g position.
Occupies 100%, and there should be no Mn ions at the Li positions 2b, 4h, 2c, but in reality, the Mn ions are not 100% at the 4g position. It is reported that only 88% of Mn occupies the 4g position, and the remaining 12% of Mn ions are present in any of the three Li positions (2b, 4h, 2c positions). Even if all 12% Mn is present at the hexagonal mesh center position (2b position), the Mn occupancy at the 4g position (g 4g , 88%) is the Mn occupancy at the 2b position (g 2b , 12%). ) Will be higher than. This difference (g 4g −g 2b = 76%) is defined as the degree of hexagonal mesh regular arrangement (S).

本発明では、Mnの他に、FeとTiを含めた遷移金属(M)について、遷移金属含有層内の
六角網目規則構造の六角網目格子構成位置(4g)における占有率(g4g)と、六角網目中心
位置(g2b)の占有率(g2b)との差(g4g−g2b)を六角網目規則配列度(S)として定義
する。本発明の複合酸化物は、遷移金属(M)について、六角網目規則配列度(S)が正((S>0)であることを特徴とするものである。本発明の複合酸化物は、この様な特有な陽イ
オン分布を有することによって、充放電サイクル特性改善等の効果が発揮され、リチウムイオン電池用正極材料として優れた性能を有するものとなる。
In the present invention, in addition to Mn, the transition metal (M) including Fe and Ti, the occupation ratio (g 4g ) at the hexagonal network lattice constituting position (4g) of the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer, The difference (g 4g −g 2b ) from the occupation ratio (g 2b ) of the hexagonal mesh center position (g 2b ) is defined as the hexagonal mesh regular arrangement degree (S). The composite oxide of the present invention is characterized in that the degree of hexagonal network regularity (S) is positive ((S> 0) for the transition metal (M). By having such a peculiar cation distribution, effects such as improvement of charge / discharge cycle characteristics are exhibited, and it has excellent performance as a positive electrode material for a lithium ion battery.

このような特有の陽イオン分布を有する本発明の複合酸化物は、後述の六方晶層状岩塩型構造や逆六角網目構造のものに比べて、本質的に安定な構造と位置づけられるものであり、塩化マンガン(II)等のMn源を適切に選択することや、FeやTiの置換割合に応じた焼成条件を選択することによって作製することができる。具体的な製造条件については後記製造方法の項において詳細に説明する。   The composite oxide of the present invention having such a peculiar cation distribution is positioned as an essentially stable structure as compared with a hexagonal layered rock salt type structure or a reverse hexagonal network structure described later, It can be produced by appropriately selecting an Mn source such as manganese (II) chloride or by selecting firing conditions according to the substitution ratio of Fe or Ti. Specific manufacturing conditions will be described in detail in the section of the manufacturing method described later.

一方、LiCoO2、LiNiO2、LiNi0.5Mn0.5O2や特許文献6に記載されているLi1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2 等に代表される空間群 On the other hand, LiCoO 2, LiNiO 2, LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 or Li 1 + x (Mn 1- mn Fe m Ti n) disclosed in Patent Document 6 space group represented by 1-x O 2, etc.

Figure 0005263761
を有する六方晶層状岩塩型構造においては、Li層、M-Li層の各層に対して1種の結晶学的
位置(3a位置または3b位置のいずれか)しかないので、六角網目規則配列度は0%(S=0)と
なる。この構造は、Mnイオンに対して比較的多くのFeイオン及び/又はTiイオンを固溶させる方法、水熱処理を行う方法、低温で焼成する方法などによって安定化することができる。この構造は、2種の格子位置の区別がほとんどつかなくなることから、遷移金属イオ
ン不規則配列(ランダム)構造と考えられる。この結晶相は、最終的に安定な上記六角網目構造に至る前の準安定相と位置づけられる。
Figure 0005263761
In the hexagonal layered rock-salt structure with, there is only one crystallographic position (either 3a position or 3b position) for each of the Li layer and the M-Li layer, so the hexagonal network regularity is 0% (S = 0). This structure can be stabilized by a method in which a relatively large amount of Fe ions and / or Ti ions are dissolved in Mn ions, a method of hydrothermal treatment, a method of firing at a low temperature, and the like. This structure is considered to be a transition metal ion disordered (random) structure because the two types of lattice positions can hardly be distinguished. This crystal phase is positioned as a metastable phase before finally reaching the stable hexagonal network structure.

また、Mn源として例えば過マンガン(VII)酸カリウム等を用いる場合や、FeやTiの置換
比率を高くして比較的低温で焼成する場合等には、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結
晶相において、遷移金属含有層内の六角網目規則構造における2b位置、即ち、六角網目中心位置の遷移金属(Mn,Fe,Ti)占有率が、4g位置、即ち、六角網目格子構成位置における遷移金属占有率より大きく、六角網目規則配列度(g4g−g2b)が負(S<0)となることが
ある。この様な構造を逆六角網目構造と呼ぶ。これは上記ランダム構造とともに、準安定相であり、一次粒子が比較的小さなものが多く、充放電初期特性や、放電レート特性、低温放電特性に優れたものが得られるが、サイクル特性の安定化の観点では不利となる場合がある。
In addition, when using, for example, potassium permanganate (VII) as the Mn source, or when firing at a relatively low temperature by increasing the substitution ratio of Fe or Ti, monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt In the crystal phase of the type structure, the transition metal (Mn, Fe, Ti) occupancy of the 2b position in the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer, that is, the center position of the hexagonal network is the 4g position, that is, the hexagonal network structure It is larger than the transition metal occupancy at the position, and the hexagonal network regularity (g 4g −g 2b ) may be negative (S <0). Such a structure is called an inverted hexagonal network structure. This is a metastable phase with the above random structure, and many primary particles are relatively small, and excellent initial charge / discharge characteristics, discharge rate characteristics, and low-temperature discharge characteristics can be obtained. May be disadvantageous in terms of

以下、六角網目規則配列度が正の値の場合(S>0)について六角網目構造と記載し、六
角網目規則配列度が負の値の場合(S<0)について逆六角網目構造、六角網目規則配列度
が零の値の場合(S=0)について、ランダム構造と記載する。
Hereinafter, when the hexagonal mesh regular arrangement degree is a positive value (S> 0), it is described as a hexagonal network structure, and when the hexagonal mesh regular arrangement degree is a negative value (S <0), the reverse hexagonal network structure, the hexagonal mesh is described. When the degree of regular arrangement is zero (S = 0), it is described as a random structure.

上記した六角網目規則配列度が正(S>0)である単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相を有する本発明の複合酸化物は、例えば、後述する沈殿生成物を形成した後、これを焼成する方法等を利用して上記した特定の組成式で表される酸化物を製造することによって得ることができる。 The composite oxide of the present invention having a crystal phase of a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure having a positive hexagonal network regularity (S> 0) forms, for example, a precipitation product described later. After that, it can be obtained by producing an oxide represented by the above specific composition formula using a method of firing this.

この場合、上記組成式において、Fe及びTiは、充放電特性向上には寄与するものの、大量に固溶させると六角網目構造の遷移金属イオン分布の安定性確保のためにより高温焼成が必要となる。従って、上記した六角網目構造の複合酸化物を安定して得るには、Feイオ
ンとTiイオンの合計量、即ち、m+nは、前記組成式において0<m+n≦0.80程度の範囲とすることが適切である。
In this case, in the above composition formula, Fe and Ti contribute to the improvement of charge / discharge characteristics, but when dissolved in large quantities, higher temperature firing is required to ensure the stability of the transition metal ion distribution of the hexagonal network structure. . Therefore, in order to stably obtain the above complex oxide having a hexagonal network structure, the total amount of Fe ions and Ti ions, that is, m + n is in the range of about 0 <m + n ≦ 0.80 in the composition formula. It is appropriate to do.

尚、FeイオンとTiイオンの固溶量が少ない場合、例えば、m+nの合計量が0.05を下回る
場合にも、六角網目規則配列度が正(S>0)の六角網目構造を形成できるが、FeイオンとTiイオンの固溶によって沈殿が微細化することに伴う充放電初期特性が向上する効果が小
さくなる傾向がある。このため、良好な充放電初期特性を発揮するためには、m+nの合計
量は0.05以上が望ましい。
When the amount of Fe ions and Ti ions is small, for example, even when the total amount of m + n is less than 0.05, a hexagonal network structure with a positive degree of hexagonal network regularity (S> 0) can be formed. However, there is a tendency that the effect of improving the initial charge / discharge characteristics associated with the precipitation becoming finer due to the solid solution of Fe ions and Ti ions is reduced. For this reason, in order to exhibit good initial charge / discharge characteristics, the total amount of m + n is desirably 0.05 or more.

以上より、m+nの好ましい範囲は0.05≦m+n≦0.80程度である。   From the above, the preferable range of m + n is about 0.05 ≦ m + n ≦ 0.80.

本発明のリチウムマンガン系複合酸化物では、固溶させるFeイオン量(m値:Fe/(Fe+Mn+Ti))は、Liイオン以外の金属イオン量の60%以下、即ち、0≦m≦0.60であることが望まし
い。Feイオンの固溶量が過剰となる場合には、試料の熱安定性が低下するため高温焼成が困難となり、結果として上記単斜晶層状岩塩型結晶相の存在量が著しく低下するので、電池特性上好ましくない。
In the lithium manganese composite oxide of the present invention, the amount of Fe ions to be dissolved (m value: Fe / (Fe + Mn + Ti)) is 60% or less of the amount of metal ions other than Li ions, that is, 0 ≦ m It is desirable that ≦ 0.60. When the amount of Fe ions in excess is excessive, the thermal stability of the sample is reduced, making high-temperature firing difficult, and as a result, the abundance of the monoclinic layered rock-salt crystal phase is significantly reduced. It is not preferable in terms of characteristics.

また、本発明のリチウムマンガン系複合酸化物では、固溶させるTiイオン量(n値:Ti/(Fe+Mn+Ti))は、Liイオン以外の金属イオン量の80%以下、即ち、0≦n≦0.80であることが
望ましい。Tiイオンの固溶量が過剰となる場合にも、上記単斜晶層状岩塩型結晶相の存在量が著しく低下するので、電池特性上好ましくない。
In the lithium manganese based composite oxide of the present invention, the amount of Ti ions to be dissolved (n value: Ti / (Fe + Mn + Ti)) is 80% or less of the amount of metal ions other than Li ions, that is, 0 It is desirable that ≦ n ≦ 0.80. Even when the amount of Ti ion solid solution is excessive, the abundance of the monoclinic layered rock salt type crystal phase is remarkably reduced, which is not preferable in terms of battery characteristics.

また、本発明リチウムマンガン系複合酸化物において、上記した結晶構造を保つことができる限り、Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2のxは、遷移金属イオンの平均価数によって0と1/3の間の値をとることができる。好ましくは0.05〜0.33の範囲である。 Further, in the lithium manganese composite oxide of the present invention, as long as the above-described crystal structure can be maintained, x of Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 is a transition metal ion. Depending on the average valence, it can take values between 0 and 1/3. Preferably it is the range of 0.05-0.33.

さらに、本発明複合酸化物は、充放電特性に重大な影響を及ぼさない範囲(最大10モル%程度)の水酸化リチウム、炭酸リチウム、チタン化合物、鉄化合物、マンガン化合物(それらの固溶体や水和物等も含む)などの不純物相を含んでいても良い。   Further, the composite oxide of the present invention is a lithium hydroxide, lithium carbonate, titanium compound, iron compound, manganese compound (solid solution or hydration thereof) in a range that does not significantly affect the charge / discharge characteristics (up to about 10 mol%). An impurity phase such as a product).

リチウムマンガン系複合酸化物の製造方法
以下、本発明のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法として、沈殿形成後、水熱処理を行う方法;沈殿形成後、焼成する方法;及びこれらの方法を組み合わせた方法について説明する。
(1)沈殿物の形成
まず、本発明の複合酸化物を構成する金属源となる化合物として、チタン化合物及び鉄化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物と、マンガン化合物を含む水溶液を調製する。
Method for Producing Lithium Manganese Composite Oxide Hereinafter, as a method for producing the lithium manganese composite oxide of the present invention, a method of hydrothermal treatment after precipitation formation; a method of firing after precipitation formation; and a combination of these methods A method will be described.
(1) Formation of precipitate First, an aqueous solution containing at least one compound selected from the group consisting of a titanium compound and an iron compound and a manganese compound is prepared as a metal source compound constituting the composite oxide of the present invention. To do.

鉄化合物、マンガン化合物及びチタン化合物としては、これらの化合物を含む混合水溶液を形成できる成分であれば特に限定なく使用できる。通常、水溶性の化合物を用いればよい。この様な水溶性化合物の具体例としては、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩などの水溶性塩、水酸化物などを挙げることができる。これらの水溶性化合物は、無水物および水和物のいずれであってもよい。また、酸化物などの非水溶性化合物であっても、例えば、塩酸などの酸を用いて溶解させて水溶液として用いることが可能である。これらの各原料化合物は、各金属源について、それぞれ単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。   As an iron compound, a manganese compound, and a titanium compound, if it is a component which can form the mixed aqueous solution containing these compounds, it can be used without limitation. Usually, a water-soluble compound may be used. Specific examples of such water-soluble compounds include water-soluble salts such as chlorides, nitrates, sulfates, oxalates and acetates, hydroxides and the like. These water-soluble compounds may be either anhydrides or hydrates. Further, even a water-insoluble compound such as an oxide can be used as an aqueous solution after being dissolved using an acid such as hydrochloric acid. Each of these raw material compounds may be used alone or in combination of two or more for each metal source.

マンガン化合物については、水溶性の化合物であれば特に限定なく使用できるが、特に、六角網目構造の複合酸化物を安定に形成するためには、2価のMn源、例えば塩化マンガ
ン(II)等を用いることが好ましい。Mn源として、過マンガン(VII)酸カリウム等の過マン
ガン酸塩を用いる場合には、微細な沈殿の作製が容易となるが、六角網目構造の複合酸化物が安定に形成され難くなるので、焼成条件等を高温側にシフトさせるなどの工夫が必要となる。
The manganese compound can be used without particular limitation as long as it is a water-soluble compound. In particular, in order to stably form a hexagonal network composite oxide, a divalent Mn source, such as manganese (II) chloride, etc. Is preferably used. When using a permanganate such as potassium permanganate (VII) as the Mn source, it is easy to produce a fine precipitate, but it is difficult to stably form a hexagonal network composite oxide. It is necessary to devise such as shifting the firing conditions to the high temperature side.

水溶液における鉄化合物、マンガン化合物及びチタン化合物の混合割合は、目的とする複合酸化物における各元素比と同様の元素比となるようにすればよい。   The mixing ratio of the iron compound, manganese compound, and titanium compound in the aqueous solution may be set to the same element ratio as each element ratio in the target composite oxide.

水溶液中の各化合物の濃度については、特に限定的ではなく、均一な混合水溶液を形成でき、且つ円滑に共沈物を形成できるように適宜決めればよい。通常、鉄化合物、マンガン化合物及びチタン化合物の合計濃度を、0.01〜5mol/l程度、好ましくは0.1〜2mol/l 程度とすればよい。   The concentration of each compound in the aqueous solution is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that a uniform mixed aqueous solution can be formed and a coprecipitate can be smoothly formed. Usually, the total concentration of the iron compound, manganese compound and titanium compound may be about 0.01 to 5 mol / l, preferably about 0.1 to 2 mol / l.

該混合水溶液の溶媒としては、水を単独で用いる他、メタノール、エタノールなどの水溶性アルコールを含む水−アルコール混合溶媒を用いても良い。水−アルコール混合溶媒を用いることにより、0℃を下回る温度での沈殿生成が可能となる。アルコールの使用量は、目的とする沈殿生成温度などに応じて適宜決めればよいが、通常、水100重量部に対して、50重量部程度以下の使用量とすることが適当である。   As a solvent for the mixed aqueous solution, water may be used alone, or a water-alcohol mixed solvent containing a water-soluble alcohol such as methanol or ethanol may be used. By using a water-alcohol mixed solvent, a precipitate can be formed at a temperature lower than 0 ° C. The amount of alcohol used may be appropriately determined according to the target precipitation temperature, but it is usually appropriate to use about 50 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of water.

次いで、該混合水溶液から沈殿物(共沈物)を生成させる。沈殿物を生成させるには、該混合水溶液をアルカリ性とすればよい。良好な沈殿物を形成する条件は、混合水溶液に含まれる各化合物の種類、濃度などによって異なるので一概に規定出来ないが、通常、pH8程度以上とすることが好ましく、pH11程度以上とすることがより好ましい。   Next, a precipitate (coprecipitate) is generated from the mixed aqueous solution. In order to generate a precipitate, the mixed aqueous solution may be made alkaline. Conditions for forming a good precipitate vary depending on the type and concentration of each compound contained in the mixed aqueous solution, and thus cannot be defined unconditionally. However, it is usually preferable to set the pH to about 8 or more, and to about pH 11 or more. More preferred.

該混合水溶液をアルカリ性にする方法については、特に限定はなく、通常は、該混合水溶液にアルカリ又はアルカリを含む水溶液を添加すればよい。また、アルカリを含む水溶液に該混合水溶液を添加する方法によっても共沈物を形成することができる。   The method for making the mixed aqueous solution alkaline is not particularly limited, and usually an alkali or an aqueous solution containing an alkali may be added to the mixed aqueous solution. Moreover, a coprecipitate can be formed also by the method of adding this mixed aqueous solution to the aqueous solution containing an alkali.

該混合水溶液をアルカリ性にするために用いるアルカリとしては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物、アンモニアなどを用いることができる。これらのアルカリを水溶液として用いる場合には、例えば、0.1
〜20mol/l程度、好ましくは0.3〜10mol/l程度の濃度の水溶液として用いることができる
Examples of the alkali used to make the mixed aqueous solution alkaline include alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, and lithium hydroxide, ammonia, and the like. When these alkalis are used as an aqueous solution, for example, 0.1
It can be used as an aqueous solution having a concentration of about ˜20 mol / l, preferably about 0.3 to 10 mol / l.

また、アルカリは、上記した金属化合物の混合水溶液と同様に、水溶性アルコールを含む水−アルコール混合溶媒に溶解しても良い。   Further, the alkali may be dissolved in a water-alcohol mixed solvent containing a water-soluble alcohol, similarly to the mixed aqueous solution of the metal compound described above.

沈殿生成の際には、混合水溶液の温度を-50℃から+15℃程度、好ましくは-40℃から+10℃程度にすることにより、沈殿の微細化とともに、反応時の中和熱発生に伴う不純物相であるスピネルフェライトの生成が抑制され均質な共沈物が形成されやすくなる。   During precipitation, the temperature of the mixed aqueous solution is set to about -50 ° C to + 15 ° C, preferably about -40 ° C to + 10 ° C. The generation of spinel ferrite, which is an accompanying impurity phase, is suppressed, and a homogeneous coprecipitate is easily formed.

該混合水溶液をアルカリ性とした後、更に、0〜150℃程度(好ましくは10〜100℃程度
)で、1〜7日間程度(好ましくは2〜4日間程度)にわたり、反応溶液に空気を吹き込みながら、沈殿物の酸化・熟成処理を行うことが好ましい。
After making the mixed aqueous solution alkaline, the reaction solution is further blown with air at about 0 to 150 ° C. (preferably about 10 to 100 ° C.) for about 1 to 7 days (preferably about 2 to 4 days). In addition, it is preferable to oxidize and age the precipitate.

得られた沈殿を蒸留水等で洗浄して、過剰のアルカリ成分、残留原料等を除去し、濾別することによって、沈殿を精製することができる。   The precipitate can be purified by washing the resulting precipitate with distilled water or the like to remove excess alkali components, residual raw materials, and the like, followed by filtration.

次いで、得られた沈殿物に対して水熱処理を施す方法、又はリチウム化合物と共に焼成する方法によって目的とするリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。以下、
これらの方法について説明する。
Subsequently, the target lithium manganese composite oxide can be obtained by a method of subjecting the obtained precipitate to hydrothermal treatment or a method of firing with a lithium compound. Less than,
These methods will be described.

(2)水熱処理
水熱処理は、上記(1)工程で形成された沈殿物、酸化剤及び水溶性リチウム化合物を含む水溶液をアルカリ性条件下で加熱することによって行うことができる。加熱は、通常、密閉容器中で行えばよい。
(2) Hydrothermal treatment The hydrothermal treatment can be performed by heating the aqueous solution containing the precipitate formed in the step (1), the oxidizing agent, and the water-soluble lithium compound under alkaline conditions. Heating is usually performed in a sealed container.

水熱処理は、比較的低温での反応であり、m+nの値が小さく六角網目構造の安定性が良好な組成の場合、例えば、0<m+n≦0.20程度の場合には、水熱処理を行うだけで、目的とする六角網目構造の複合酸化物を得ることが可能である。m+nの値が0.20を上回る組成の場合などには、六角網目構造の安定性が劣るために、水熱処理を行うだけでは目的とする六角網目構造の複合酸化物を得ることが難しく、後述する焼成処理を高温で行って結晶を安定化することが必要となる場合がある。   Hydrothermal treatment is a reaction at a relatively low temperature, and in the case of a composition with a small value of m + n and good stability of the hexagonal network structure, for example, when 0 <m + n ≦ 0.20, hydrothermal treatment is performed. It is possible to obtain a target complex oxide having a hexagonal network structure. In the case of a composition in which the value of m + n exceeds 0.20, the stability of the hexagonal network structure is inferior. Therefore, it is difficult to obtain a target complex oxide having a hexagonal network structure by simply performing hydrothermal treatment. It may be necessary to stabilize the crystals by performing the treatment at a high temperature.

水熱処理によって目的とするリチウムマンガン系複合酸化物を得る場合には、形成される一次粒子が微細化されるので、六角網目構造による優れた充放電サイクル特性に加えて、初期容量などの充放電特性を向上させることができる。   When the desired lithium manganese composite oxide is obtained by hydrothermal treatment, the primary particles that are formed are refined, so in addition to excellent charge / discharge cycle characteristics due to the hexagonal network structure, charge / discharge such as initial capacity Characteristics can be improved.

水熱反応に用いる水溶液では、鉄、マンガン及びチタンを含む沈殿物の含有量は、乾燥品換算で水1リットルあたり1〜100g程度とすることが好ましく、10〜80g程度とすること
がより好ましい。
In the aqueous solution used for the hydrothermal reaction, the content of the precipitate containing iron, manganese and titanium is preferably about 1 to 100 g per liter of water in terms of dry product, more preferably about 10 to 80 g. .

水溶性リチウム化合物としては、例えば、塩化リチウム、酢酸リチウム、硝酸リチウム等の水溶性リチウム塩、水酸化リチウム等を用いることができる。これらの水溶性リチウム化合物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができ、無水物および水和物の何れを用いても良い。   As the water-soluble lithium compound, for example, water-soluble lithium salts such as lithium chloride, lithium acetate and lithium nitrate, lithium hydroxide and the like can be used. These water-soluble lithium compounds can be used singly or in combination of two or more, and any of anhydrides and hydrates may be used.

水溶性リチウム化合物の使用量は、沈殿生成物中のFe,Mn及びTiの合計モル数に対する
リチウム元素モル比として、Li/(Fe+Mn+Ti)=1〜10程度とすることが好ましく、3〜7程度とすることがより好ましい。
The use amount of the water-soluble lithium compound is preferably about Li / (Fe + Mn + Ti) = 1 to 10 as a molar ratio of lithium element to the total number of moles of Fe, Mn and Ti in the precipitation product, More preferably, it is about 3-7.

水溶性リチウム化合物の濃度は、0.1〜10mol/l程度とすることが好ましく、1〜8mol/l
程度とすることがより好ましい。
The concentration of the water-soluble lithium compound is preferably about 0.1 to 10 mol / l, 1 to 8 mol / l
More preferably, it is about.

酸化剤としては、水熱反応時に分解して酸素発生するものであれば、特に限定無く使用でき、具体例として、塩素酸カリウム、塩素酸リチウム、塩素酸ナトリウム、過酸化水素水等を挙げることができる。   The oxidizing agent can be used without particular limitation as long as it decomposes during the hydrothermal reaction to generate oxygen, and specific examples include potassium chlorate, lithium chlorate, sodium chlorate, hydrogen peroxide water, and the like. Can do.

酸化剤の濃度は、0.1〜10mol/l程度とすることが好ましく、0.5〜5mol/l程度とするこ
とがより好ましい。
The concentration of the oxidizing agent is preferably about 0.1 to 10 mol / l, and more preferably about 0.5 to 5 mol / l.

水熱反応を行う際の水溶液のpHについては、通常、pH8程度以上とすることが好ましく、pH11程度以上とすることがより好ましい。   About pH of the aqueous solution at the time of performing a hydrothermal reaction, it is usually preferable to set it as about pH8 or more, and it is more preferable to set it as about pH11 or more.

沈殿物、酸化剤及び水溶液リチウム化合物を含む水溶液がアルカリ性条件下にある場合には、そのまま加熱すればよいが、pH値が低い場合には、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属水酸化物、アンモニアなどを添加してpH値を上げればよい。   When the aqueous solution containing the precipitate, the oxidizing agent and the aqueous lithium compound is under alkaline conditions, it may be heated as it is, but when the pH value is low, for example, an alkali metal such as potassium hydroxide or sodium hydroxide. The pH value may be increased by adding hydroxide, ammonia or the like.

水熱反応は、通常の水熱反応装置(例えば、市販のオートクレーブ)を用いて行うこと
ができる。
Hydrothermal reaction can be performed using a normal hydrothermal reaction apparatus (for example, a commercially available autoclave).

水熱反応条件は、特に限定されるものではないが、通常100〜300℃程度で0.1〜150時間程度とすればよく、好ましくは150〜250℃程度で1〜100時間程度とすればよい。   Hydrothermal reaction conditions are not particularly limited, but may be usually about 100 to 300 ° C. and about 0.1 to 150 hours, preferably about 150 to 250 ° C. and about 1 to 100 hours.

水熱反応終了後、通常、残存するリチウム化合物などの残存物を除去するために、反応生成物を洗浄する。洗浄には、例えば、水、水-アルコール、アセトンなどを用いること
ができる。次いで、生成物を濾過し、例えば、80℃以上の温度(通常は100℃程度)で乾燥
することにより、リチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。
After completion of the hydrothermal reaction, the reaction product is usually washed in order to remove the remaining lithium compound and the like. For example, water, water-alcohol, acetone or the like can be used for washing. Next, the product is filtered and dried, for example, at a temperature of 80 ° C. or higher (usually about 100 ° C.) to obtain a lithium manganese composite oxide.

(3)焼成処理
焼成処理工程では、上記(1)工程で得られた沈殿物をリチウム化合物とともに焼成すればよい。この際、リチウム化合物の添加量や焼成条件、焼成雰囲気等を調整することによって、粒径などの粉体特性やLi含有量、単斜晶層状岩塩型結晶相含有量等を制御して目的とするリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。
(3) Firing treatment In the firing treatment step, the precipitate obtained in the step (1) may be fired together with the lithium compound. At this time, by adjusting the addition amount of the lithium compound, the firing conditions, the firing atmosphere, etc., it is possible to control the powder characteristics such as the particle size, the Li content, the monoclinic layered rock salt type crystal phase content, etc. Thus, a lithium manganese based composite oxide can be obtained.

リチウム化合物としては、リチウム元素を含む化合物であれば特に限定なく使用でき、具体例として、塩化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム等のリチウム塩、水酸化リチウム、これらの水和物等を挙げることができる。リチウム化合物の使用量は、水熱法で得られたリチウムマンガン系複合酸化物またはその前の工程で得られた沈殿物の仕込みモル数1モルに対して0.01〜3モル程度とすればよい。   The lithium compound can be used without particular limitation as long as it contains a lithium element. Specific examples include lithium salts such as lithium chloride, lithium nitrate, and lithium acetate, lithium hydroxide, and hydrates thereof. it can. If the usage-amount of a lithium compound shall be about 0.01-3 mol with respect to 1 mol of preparation mole numbers of the lithium manganese type complex oxide obtained by the hydrothermal method or the precipitate obtained in the previous process. Good.

通常、反応性を向上させるために、水熱法で得られたリチウムマンガン系複合酸化物または沈殿物にリチウム化合物を加えて粉砕混合した後、焼成することが好ましい。粉砕の程度については、粗大粒子が含まれず、混合物が均一な色調となっていればよい。   In general, in order to improve the reactivity, it is preferable to add a lithium compound to the lithium manganese composite oxide or precipitate obtained by the hydrothermal method, pulverize and mix, and then fire. As for the degree of pulverization, it is sufficient that coarse particles are not included and the mixture has a uniform color tone.

リチウム化合物は、粉末形態、水溶液形態等として用いることができるが、反応の均一性を確保するために、水溶液の形態で使用することが好ましい。この場合、水溶液の濃度については、通常、0.1〜10mol/l程度とすればよい。   The lithium compound can be used in the form of a powder, an aqueous solution, or the like, but is preferably used in the form of an aqueous solution in order to ensure the uniformity of the reaction. In this case, the concentration of the aqueous solution is usually about 0.1 to 10 mol / l.

焼成雰囲気については、特に限定はなく、大気中、酸化性雰囲気中、不活性雰囲気中、還元雰囲気中等任意の雰囲気を選択できる。焼成温度は、200〜1500℃程度とすることが
好ましく、300〜1200℃程度とすることがより好ましい。焼成時間は、焼成温度まで達す
る時間を含めて0.1〜100時間程度とすることが好ましく、0.5〜60時間程度とすることが
より好ましい。
The firing atmosphere is not particularly limited, and any atmosphere such as the air, an oxidizing atmosphere, an inert atmosphere, or a reducing atmosphere can be selected. The firing temperature is preferably about 200 to 1500 ° C, and more preferably about 300 to 1200 ° C. The firing time is preferably about 0.1 to 100 hours including the time to reach the firing temperature, and more preferably about 0.5 to 60 hours.

本発明では、六角網目構造のリチウムマンガン系複合酸化物を得るためには、焼成条件を適切に選択することが重要である。目的とする複合酸化物が、Ti及び/又はFeの固溶量が多い酸化物である場合、例えば、前記組成式においてm+nが0.2を上回る場合には、
六角網目構造の安定性が劣るために、上記した焼成処理において逆六角網目構造に変化することがある。従って、この様な複合酸化物については、500℃以上の高温で焼成処理を
行って結晶を安定化することが好ましい。また、焼成時間についても長くすることが好ましい。
In the present invention, in order to obtain a lithium manganese composite oxide having a hexagonal network structure, it is important to appropriately select firing conditions. When the target composite oxide is an oxide having a large amount of Ti and / or Fe, for example, when m + n exceeds 0.2 in the composition formula,
Since the hexagonal network structure is inferior in stability, it may be changed to an inverted hexagonal network structure in the above baking process. Therefore, it is preferable to stabilize the crystal of such a complex oxide by performing a baking treatment at a high temperature of 500 ° C. or higher. Moreover, it is preferable to lengthen baking time.

Ti及び/又はFeの固溶量が比較的少ない場合には、安定な構造である六角網目構造となり易いので、上記した焼成温度範囲において、比較的低温で焼成した場合であっても、目的とする六角網目構造の複合酸化物を得ることができる。但し、高温焼成により、立方晶岩塩型構造の結晶相含有率を低減させる効果もあるので、重視する充放電特性に応じて焼成条件を決めればよい。   When the solid solution amount of Ti and / or Fe is relatively small, the hexagonal network structure, which is a stable structure, is likely to be obtained. Therefore, even when firing at a relatively low temperature within the above firing temperature range, the purpose and A composite oxide having a hexagonal network structure can be obtained. However, high temperature firing also has the effect of reducing the crystal phase content of the cubic rock salt structure, and therefore the firing conditions may be determined according to the charge / discharge characteristics to be emphasized.

本発明では、上記した基準に基づいて、目的とする複合酸化物の組成に応じて適宜、焼成条件を選択することによって、目的とする六角網目構造のリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。   In the present invention, the desired hexagonal network lithium-manganese composite oxide can be obtained by appropriately selecting the firing conditions according to the composition of the target composite oxide based on the above criteria. .

また、上記(2)工程において水熱処理して得られたリチウムマンガン系複合酸化物について、上記した条件に従ってリチウム化合物と共に焼成しても良い。この場合には、水熱処理を行うことによって、一次粒子を微細化することができ、充放電特性をより改善することができる。   Further, the lithium manganese composite oxide obtained by hydrothermal treatment in the step (2) may be fired together with the lithium compound according to the above-described conditions. In this case, by performing hydrothermal treatment, primary particles can be made finer, and charge / discharge characteristics can be further improved.

焼成終了後、通常、過剰のリチウム化合物を除去するために、焼成物を水洗処理、溶媒洗浄処理等に供する。その後、濾過を行い、例えば、80℃以上の温度、好ましくは100〜400℃程度の温度で加熱乾燥してもよい。   After completion of the firing, the fired product is usually subjected to a water washing treatment, a solvent washing treatment or the like in order to remove excess lithium compound. Thereafter, filtration is performed, and for example, heat drying may be performed at a temperature of 80 ° C. or higher, preferably about 100 to 400 ° C.

更に、必要に応じて、この加熱乾燥物を粉砕し、リチウム化合物を加えて、焼成し、洗浄し、乾燥するという一連の操作を繰り返し行うことにより、リチウムマンガン系複合酸化物の優れた特性(リチウムイオン二次電池用正極材料としての作動電圧領域における安
定的な充放電特性、高容量など)をより一層改善することができる。
Furthermore, if necessary, the heat-dried product is pulverized, a lithium compound is added, calcined, washed, and dried, and a series of operations are repeated. Stable charge / discharge characteristics, high capacity, etc. in the operating voltage region as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery can be further improved.

リチウムイオン二次電池
本発明によるリチウムマンガン系複合酸化物を用いるリチウムイオン二次電池は、公知の手法により製造することができる。すなわち、正極材料として、本発明による新規な複合酸化物を使用し、負極材料として、公知の金属リチウム、炭素系材料(活性炭、黒鉛)などを使用し、電解液として、公知のエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの溶媒に過塩素酸リチウム、LiPF6などのリチウム塩を溶解させた溶液を使用し、さらにそ
の他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組立てればよい。
Lithium ion secondary battery A lithium ion secondary battery using the lithium manganese composite oxide according to the present invention can be produced by a known method. That is, the novel composite oxide according to the present invention is used as the positive electrode material, the known metal lithium, carbon-based material (activated carbon, graphite), etc. are used as the negative electrode material, and the known ethylene carbonate and dimethyl are used as the electrolyte. A lithium ion secondary battery can be assembled according to a conventional method using a solution in which a lithium salt such as lithium perchlorate or LiPF 6 is dissolved in a solvent such as carbonate, and using other known battery components. That's fine.

本発明のリチウムマンガン系複合酸化物は、安価な原料及び元素を使用して得られる材料であって、公知の酸化物とは異なる特有の陽イオン分布を有するものである。該複合酸化物は、平均放電電圧3V以上を保持でき、且つリチウムコバルト酸化物系正極材料と同等またはそれ以上の放電容量(250mAh/g以上)および放電重量エネルギー密度(700mWh/g以上)を有し、かつ充放電サイクル時の曲線形状変化が少ない、正極材料として有用な物質である。   The lithium manganese composite oxide of the present invention is a material obtained by using inexpensive raw materials and elements, and has a unique cation distribution different from known oxides. The composite oxide can maintain an average discharge voltage of 3 V or more, and has a discharge capacity (250 mAh / g or more) and a discharge weight energy density (700 mWh / g or more) equivalent to or higher than that of a lithium cobalt oxide-based positive electrode material. In addition, it is a substance useful as a positive electrode material with little change in curve shape during charge / discharge cycles.

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

また、本発明のリチウムマンガン系複合酸化物は、初期放電容量に優れているばかりでなく優れた充放電サイクル特性を有しており、小型民生用のみならず車載用などの大型リチウムイオン二次電池用正極材料としてきわめて有用である。   In addition, the lithium manganese based composite oxide of the present invention has not only excellent initial discharge capacity but also excellent charge / discharge cycle characteristics, so that it can be used not only for a small consumer but also for a large-sized lithium ion secondary vehicle. It is extremely useful as a positive electrode material for batteries.

本発明によるリチウムマンガン系複合酸化物は、上記した優れた性能を有するものであり、高容量、長寿命で、かつ低コストのリチウムイオン二次電池用正極材料として、有用性の高い材料である。   The lithium manganese composite oxide according to the present invention has the above-described excellent performance, and is a highly useful material as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery having a high capacity, a long life, and a low cost. .

以下、実施例および比較例を示し、本発明の特徴とするところを一層明確にするが、本
発明は、下記実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES Hereinafter, examples and comparative examples will be shown to further clarify the features of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
硝酸鉄(III)9水和物20.20gと塩化マンガン(II)4水和物39.58g (全量0.25mol、Fe:Mnモ
ル比=2:8)を500mlの蒸留水に加え、完全に溶解させた。別のビーカーに水酸化リチウム水溶液(蒸留水500mlに水酸化リチウム1水和物50gを溶解させた溶液)を作製した。この水酸
化リチウム水溶液をチタン製ビーカーに入れ、エタノール150mlを加えて攪拌後、恒温漕
内に静置し、恒温漕内を-10℃に保った。次いで、この水酸化リチウム水溶液を攪拌しつ
つ、上記金属塩水溶液を2〜3時間かけて徐々に滴下して、Fe-Mn沈殿物を形成させた。反
応液が完全にアルカリ性(pH11以上)になっていることを確認し、攪拌下に共沈物を含む反応液に室温で12時間以上空気を吹き込んで酸化処理して、沈殿を熟成させた。
Example 1
Add 20.20 g of iron (III) nitrate nonahydrate and 39.58 g of manganese (II) chloride tetrahydrate (total amount 0.25 mol, Fe: Mn molar ratio = 2: 8) to 500 ml of distilled water and dissolve completely. It was. An aqueous lithium hydroxide solution (a solution in which 50 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 500 ml of distilled water) was prepared in another beaker. This lithium hydroxide aqueous solution was put into a titanium beaker, 150 ml of ethanol was added and stirred, and then allowed to stand in a thermostatic bath, and the thermostatic bath was kept at −10 ° C. Next, while stirring this lithium hydroxide aqueous solution, the above metal salt aqueous solution was gradually dropped over 2 to 3 hours to form an Fe-Mn precipitate. After confirming that the reaction solution was completely alkaline (pH 11 or more), air was blown into the reaction solution containing the coprecipitate with stirring at room temperature for 12 hours or more to ripen the precipitate.

得られた沈殿を蒸留水で洗浄して濾別し、この沈殿生成物を水酸化リチウム1水和物50g、塩素酸カリウム50g、水酸化カリウム309g及び蒸留水600mlとともにポリテトラフルオロエチレンビーカー中に入れ、よく攪拌した。この水溶液のpHは11以上であった。その後、水熱反応炉(オートクレーブ)内に設置し、220℃で8時間水熱処理した。   The resulting precipitate was washed with distilled water and filtered, and the precipitated product was placed in a polytetrafluoroethylene beaker together with 50 g of lithium hydroxide monohydrate, 50 g of potassium chlorate, 309 g of potassium hydroxide and 600 ml of distilled water. And stirred well. The pH of this aqueous solution was 11 or more. Thereafter, it was placed in a hydrothermal reactor (autoclave) and hydrothermally treated at 220 ° C. for 8 hours.

水熱処理終了後、反応炉を室温付近まで冷却し、水熱処理反応液を含むビーカーをオートクレーブ外に取り出し、生成している沈殿物を蒸留水で洗浄して、過剰に存在する水酸化リチウムなどの塩類を除去し、濾過することにより、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。   After the hydrothermal treatment is completed, the reaction furnace is cooled to near room temperature, the beaker containing the hydrothermal treatment reaction solution is taken out of the autoclave, and the generated precipitate is washed with distilled water to remove excess lithium hydroxide and the like. Salts were removed and filtered to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25gを蒸留水100mlに溶解させた水酸化
リチウム水溶液と混合し、攪拌後、100℃において一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した
The powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を酸素気流中で1時間かけて650℃まで昇温し、その温度で20時
間焼成後、炉中で室温付近まで冷却し、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を蒸留水で水洗し、濾過し、300℃、10時間大気中乾燥して、目的物であるリチウムマンガン
系複合酸化物を粉末状生成物として得た。
The resulting powder was then heated to 650 ° C. in an oxygen stream over 1 hour, fired at that temperature for 20 hours, cooled to near room temperature in a furnace, and fired to remove excess lithium salt. The product was washed with distilled water, filtered, and dried in the air at 300 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図3に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは上記参考文献に記載されている単斜晶層状岩
塩型のLi2MnO3の単位胞
The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of monoclinic layered rock salt type Li 2 MnO 3 described in the above references.

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9420(12)Å, b=8.5643(14)Å、c=5.0265(7)Å。β=109.249(19)°
)のみで指数付けできた。
Figure 0005263761
(A = 4.9420 (12) Å, b = 8.5643 (14) Å, c = 5.0265 (7) Å. Β = 109.249 (19) °
) Was able to index.

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、62.5(5)%であるのに対して2b位置の遷移金
属占有率(g2b)は54.1(9)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは+8.4(9)%であり正の値であった。この結果から、実施例1で得られたリチウムマンガン系複合酸化物は、
いわゆる六角網目構造を有することがわかる。
The obtained transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position was 62.5 (5)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position was 54.1 (9)%, The defined hexagon mesh regularity S was +8.4 (9)%, a positive value. From this result, the lithium manganese composite oxide obtained in Example 1 is
It turns out that it has what is called a hexagonal network structure.

化学分析(下記表1)により、Feが仕込量(20mol%)に近い20モル%(m値)含まれていること、Li/(Mn+Fe)値より計算されるx値が0.26であることから、実施例1において、目的組成
のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.26(Fe0.20Mn0.80)0.74O2)が得られたことが確認できた。
According to chemical analysis (Table 1 below), Fe contained 20 mol% (m value) close to the charged amount (20 mol%), and x value calculated from Li / (Mn + Fe) value is 0.26. Thus, in Example 1, it was confirmed that a lithium manganese composite oxide (Li 1.26 (Fe 0.20 Mn 0.80 ) 0.74 O 2 ) having the target composition was obtained.

下記1には、後述する実施例2〜6及び比較例1〜3で得られた試料の化学分析結果も併せて示す。   The following 1 also shows the chemical analysis results of the samples obtained in Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 described later.

Figure 0005263761
Figure 0005263761

比較例1
硝酸鉄(III)9水和物30.30gと塩化マンガン(II)4水和物34.63g (全量0.25mol、Fe:Mnモ
ル比=3:7)を用いる他は、実施例1と同様に沈殿作製、水熱処理、水洗処理等を行い粉末
状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。
Comparative Example 1
Precipitation was carried out in the same manner as in Example 1 except that 30.30 g of iron (III) nitrate nonahydrate and 34.63 g of manganese (II) chloride tetrahydrate (total amount 0.25 mol, Fe: Mn molar ratio = 3: 7) were used. Preparation, hydrothermal treatment, washing treatment and the like were performed to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25gを蒸留水100mlに溶解させた水酸化
リチウム水溶液と混合し、攪拌後、100℃において一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した
。次いで、得られた粉末を大気中で1時間かけて750℃まで昇温し、その温度で1分間焼成後、炉中で室温付近まで冷却し、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を蒸留水で水洗し、濾過し、300℃、10時間大気中乾燥して、目的物であるリチウムマンガン系複合
酸化物を粉末状生成物として得た。
The powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did. Next, the obtained powder was heated to 750 ° C. in the air over 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, then cooled to near room temperature in the furnace, and the fired product was removed to remove excess lithium salt. Was washed with distilled water, filtered, and dried in the atmosphere at 300 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powdery product.

この最終生成物のX線回折パターンを図4に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは前記参考文献に記載されている単斜晶層状岩
塩型のLi2MnO3の単位胞
The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are monoclinic layered rock salt-type Li 2 MnO 3 unit cells described in the above reference

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9738(9)Å, b=8.5840(13)Å、c=5.0341(7)Å。β=109.174(15)°)と立方晶岩塩型のα-LiFeO2の単位胞
Figure 0005263761
Unit cell of α-LiFeO 2 with crystal phase (a = 4.9738 (9) Å, b = 8.5840 (13) Å, c = 5.0341 (7) Å. Β = 109.174 (15) °) and cubic rock salt type

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.084(4)Å)指数付けできた。両相の存在比は、単斜晶相94%、立方
晶相6%の割合であった。
Figure 0005263761
The crystal phase with a (a = 4.084 (4) 指数) could be indexed. The abundance ratio of both phases was 94% monoclinic phase and 6% cubic phase.

得られた単斜晶相内の4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、60.1(8)%であるのに対して2b
位置の遷移金属占有率(g2b)は75.3(12)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは
、-15.2(12)%であり負の値を取ることから、比較例1で得られたリチウムマンガン系複合
酸化物は実施例1や後述の実施例2および実施例3で得られた複合酸化物とは異なる逆六角網目構造を有することがわかる。比較例1の複合酸化物では、Feの含有量が多く、また、比較的低温、短時間の焼成時間を選択したことにより、六角網目構造が形成されなかったと思われる。
The transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position in the obtained monoclinic phase is 60.1 (8)%, whereas 2b
The transition metal occupancy (g 2b ) at the position is 75.3 (12)%, and the hexagonal network regularity S defined by the difference is -15.2 (12)%, which is a negative value. It can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in 1 has an inverted hexagonal network structure different from those of Example 1 and composite oxides obtained in Example 2 and Example 3 described later. In the composite oxide of Comparative Example 1, it is considered that the hexagonal network structure was not formed because of the high Fe content and the relatively low temperature and short firing time.

化学分析(上記表1)により、Feが仕込量(30mol%)に近い30モル%(m値)含まれていること、Li/(Mn+Fe)値より計算されるx値が0.25であることから、比較例1において、目的組成
のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.25(Fe0.30Mn0.70)0.75O2)が得られたことが確認できた。
According to chemical analysis (Table 1 above), Fe contained 30 mol% (m value) close to the charged amount (30 mol%), and x value calculated from Li / (Mn + Fe) value is 0.25. Thus, in Comparative Example 1, it was confirmed that a lithium manganese composite oxide (Li 1.25 (Fe 0.30 Mn 0.70 ) 0.75 O 2 ) having the target composition was obtained.

充放電試験
上記実施例1および比較例1で得た各複合酸化物5mgに対し、アセチレンブラック5mg、PTFE粉末0.5mgを乾式混合したものを正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチ
レンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に支持塩であるLiPF6を溶解させ
た1M溶液を電解液としてコイン型リチウム電池を作成した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において(電位範囲1.5-5.5V(但し充電容量規制500mAh/g、1サイクル目)、1.5-4.8V(2サイクル目以降)、電流密度40mA/g)、充電開始にて検討した。
Charge / Discharge Test 5 mg of each composite oxide obtained in Example 1 and Comparative Example 1 above was dry mixed with 5 mg of acetylene black and 0.5 mg of PTFE powder as the positive electrode material, and Li metal as the negative electrode material. A coin-type lithium battery was prepared using a 1M solution in which LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of dimethyl carbonate and dimethyl carbonate as an electrolyte. Charging / discharging characteristics of this lithium battery at 30 ° C (potential range 1.5-5.5V (charge capacity regulation 500mAh / g, 1st cycle), 1.5-4.8V (after 2nd cycle), current density 40mA / g), We examined at the start of charging.

実施例1(図中の実線)と比較例1(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池
について、初期及び20サイクル後の放電特性を図5のグラフに示す。また、下記表2に、
上記試験で得られた初期放電データおよび20サイクル後の放電容量を示す。尚、表2には、後述する実施例2〜6及び比較例1〜3で得られた試料についての充放電特性の測定結果も併せて示す。
FIG. 5 shows the discharge characteristics of the lithium batteries using the positive electrode materials of Example 1 (solid line in the figure) and Comparative Example 1 (dashed line in the figure) at the initial stage and after 20 cycles. Also, in Table 2 below,
The initial discharge data obtained in the above test and the discharge capacity after 20 cycles are shown. Table 2 also shows the measurement results of the charge / discharge characteristics of the samples obtained in Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 described later.

Figure 0005263761
Figure 0005263761

図5および表2から、実施例1で得られた正極材料は、比較例1の試料に比して初期及び20サイクル目の放電容量、初期充放電効率、放電平均電圧、放電エネルギー密度に関して優れていることがわかる。これらの結果より、六角網目構造の単斜晶層状岩塩型結晶相を含む実施例1の試料の方が、逆六角網目構造を有する比較例1の試料よりも、充放電特性に優れたものであることが明らかである。   From FIG. 5 and Table 2, the positive electrode material obtained in Example 1 is superior to the sample of Comparative Example 1 in terms of the initial and 20th cycle discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, average discharge voltage, and discharge energy density. You can see that From these results, the sample of Example 1 containing a hexagonal network monoclinic layered rock salt type crystal phase was superior in charge / discharge characteristics to the sample of Comparative Example 1 having an inverted hexagonal network structure. It is clear that there is.

実施例2
硝酸鉄(III)9水和物10.10gと塩化マンガン(II)4水和物44.53g (全量0.25mol、Fe:Mnモ
ル比=1:9)を用いる以外は、実施例1と同様に沈殿作製及び沈殿熟成を行った。
Example 2
Precipitation was performed in the same manner as in Example 1 except that 10.10 g of iron (III) nitrate nonahydrate and 44.53 g of manganese (II) chloride tetrahydrate (total amount 0.25 mol, Fe: Mn molar ratio = 1: 9) were used. Preparation and precipitation aging were performed.

得られた沈殿を蒸留水で洗浄して濾別し、この沈殿生成物を水酸化リチウム1水和物50g、塩素酸カリウム50g、水酸化カリウム309g及び蒸留水600mlとともにポリテトラフルオロエチレンビーカー中に入れ、よく攪拌した。この水溶液のpHは11以上であった。その後、水熱反応炉(オートクレーブ)内に設置し、220℃で48時間水熱処理した。   The resulting precipitate was washed with distilled water and filtered, and the precipitated product was placed in a polytetrafluoroethylene beaker together with 50 g of lithium hydroxide monohydrate, 50 g of potassium chlorate, 309 g of potassium hydroxide and 600 ml of distilled water. And stirred well. The pH of this aqueous solution was 11 or more. Thereafter, it was placed in a hydrothermal reactor (autoclave) and hydrothermally treated at 220 ° C. for 48 hours.

水熱処理終了後、反応炉を室温付近まで冷却し、水熱処理反応液を含むビーカーをオートクレーブ外に取り出し、生成している沈殿物を蒸留水で洗浄して、過剰に存在する水酸化リチウムなどの塩類を除去し、濾過することにより、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。   After the hydrothermal treatment is completed, the reaction furnace is cooled to near room temperature, the beaker containing the hydrothermal treatment reaction solution is taken out of the autoclave, and the generated precipitate is washed with distilled water to remove excess lithium hydroxide and the like. Salts were removed and filtered to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25gを蒸留水100mlに溶解させた水酸化
リチウム水溶液と混合し、攪拌後、100℃において一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した
The powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を酸素気流中で1時間かけて550℃まで昇温し、その温度で20時
間焼成後、炉中で室温付近まで冷却し、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を蒸留水で水洗し、濾過し、300℃、10時間大気中乾燥して、目的物であるリチウムマンガン
系複合酸化物を粉末状生成物として得た。
The resulting powder was then heated to 550 ° C. in an oxygen stream for 1 hour, fired at that temperature for 20 hours, cooled to near room temperature in a furnace, and fired to remove excess lithium salt. The product was washed with distilled water, filtered, and dried in the air at 300 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図6に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは上記参考文献に記載されている単斜晶層状岩
塩型のLi2MnO3の単位胞
The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of monoclinic layered rock salt type Li 2 MnO 3 described in the above references.

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9384(13)Å, b=8.5484(15)Å、c=5.0167(7)Å。β=109.17(2)°)
のみで指数付けできた。
Figure 0005263761
(A = 4.9384 (13) Å, b = 8.5484 (15) Å, c = 5.0167 (7) Å. Β = 109.17 (2) °)
Could index only.

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、72.0(7)%であるのに対して2b位置の遷移金
属占有率(g2b)は42.5(11)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは+29.5(11)%で
あり正の値であった。この結果から、実施例2で得られたリチウムマンガン系複合酸化物
は、六角網目構造を有することがわかる。
The obtained transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position is 72.0 (7)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position is 42.5 (11)%, The defined hexagon mesh regularity S was +29.5 (11)%, a positive value. From this result, it can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in Example 2 has a hexagonal network structure.

化学分析(上記表1)により、Feが仕込量(10mol%)に近い9.3モル%(m値)含まれているこ
と、Li/(Mn+Fe)値より計算されるx値が0.29であることから、実施例2において、目的組成のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.29(Fe0. 093Mn0.907)0.71O2)が得られたことが確
認できた。
Chemical analysis (Table 1 above) shows that Fe is included in 9.3 mol% (m value) close to the charged amount (10 mol%), and the x value calculated from the Li / (Mn + Fe) value is 0.29. it from the example 2, it was confirmed that the lithium-manganese-based composite oxide of the target composition (Li 1.29 (Fe 0. 093 Mn 0.907) 0.71 O 2) was obtained.

充放電試験
上記実施例2および比較例1で得た各複合酸化物5mgに対し、アセチレンブラック5mg、PTFE粉末0.5mgを乾式混合したものを正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に支持塩であるLiPF6を溶解させた
1M溶液を電解液としてコイン型リチウム電池を作成した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において(電位範囲1.5-5.5V(但し充電容量規制500mAh/g、1サイクル目)、1.5-4.8V(2サイクル目以降)、電流密度40mA/g)、充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 5 mg of each composite oxide obtained in Example 2 and Comparative Example 1 above was dry mixed with 5 mg of acetylene black and 0.5 mg of PTFE powder as the positive electrode material, and Li metal as the negative electrode material. A coin-type lithium battery was prepared using a 1M solution in which LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of dimethyl carbonate and dimethyl carbonate as an electrolyte. Charging / discharging characteristics of this lithium battery at 30 ° C (potential range 1.5-5.5V (charge capacity regulation 500mAh / g, 1st cycle), 1.5-4.8V (after 2nd cycle), current density 40mA / g), We examined at the start of charging.

実施例2(図中の実線)と比較例1(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期および20サイクル後の放電特性を図7のグラフに示す。上記表2に上記試験
で得られた初期放電データおよび20サイクル後の放電容量を示す。
The graph of FIG. 7 shows the discharge characteristics after initial and 20 cycles for the lithium batteries using the positive electrode materials of Example 2 (solid line in the figure) and Comparative Example 1 (dashed line in the figure). Table 2 shows the initial discharge data obtained in the above test and the discharge capacity after 20 cycles.

図7および表2から、実施例2で得られた正極材料は、比較例1の試料に対して初期及び20サイクル目の放電容量、初期充放電効率、放電平均電圧、放電エネルギー密度に関して優れていることがわかる。これらの結果より、六角網目構造の単斜晶層状岩塩型結晶相を含む実施例2の試料の方が、逆六角網目構造を有する比較例1の試料よりも、充放電特性に
優れたものであることが明らかである。
From FIG. 7 and Table 2, the positive electrode material obtained in Example 2 is superior to the sample of Comparative Example 1 in terms of the initial and 20th cycle discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, average discharge voltage, and discharge energy density. I understand that. From these results, the sample of Example 2 containing a hexagonal network monoclinic layered rock salt type crystal phase is superior in charge / discharge characteristics to the sample of Comparative Example 1 having an inverted hexagonal network structure. It is clear that there is.

実施例3
実施例2と同様に金属塩の秤量、混合水溶液の作製、沈殿作製及び沈殿熟成を行った。
Example 3
In the same manner as in Example 2, the metal salt was weighed, the mixed aqueous solution was prepared, the precipitate was prepared, and the precipitate was aged.

得られた沈殿を蒸留水で洗浄して濾別し、この沈殿生成物を水酸化リチウム1水和物50g、塩素酸カリウム50g、水酸化カリウム309g及び蒸留水600mlとともにポリテトラフルオロエチレンビーカー中に入れ、よく攪拌した。この水溶液のpHは11以上であった。その後、水熱反応炉(オートクレーブ)内に設置し、220℃で8時間水熱処理した。   The resulting precipitate was washed with distilled water and filtered, and the precipitated product was placed in a polytetrafluoroethylene beaker together with 50 g of lithium hydroxide monohydrate, 50 g of potassium chlorate, 309 g of potassium hydroxide and 600 ml of distilled water. And stirred well. The pH of this aqueous solution was 11 or more. Thereafter, it was placed in a hydrothermal reactor (autoclave) and hydrothermally treated at 220 ° C. for 8 hours.

水熱処理終了後、反応炉を室温付近まで冷却し、水熱処理反応液を含むビーカーをオートクレーブ外に取り出し、生成している沈殿物を蒸留水で洗浄して、過剰に存在する水酸
化リチウムなどの塩類を除去し、濾過することにより、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。
After the hydrothermal treatment is completed, the reaction furnace is cooled to near room temperature, the beaker containing the hydrothermal treatment reaction solution is taken out of the autoclave, and the generated precipitate is washed with distilled water to remove excess lithium hydroxide and the like. Salts were removed and filtered to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25gを蒸留水100mlに溶解させた水酸化
リチウム水溶液と混合し、攪拌後、100℃において一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した
The powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を酸素気流中で1時間かけて1050℃まで昇温し、その温度で1分
間焼成後、炉中で室温付近まで冷却し、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を蒸留水で水洗し、濾過し、300℃、10時間大気中乾燥して、目的物であるリチウムマンガン
系複合酸化物を粉末状生成物として得た。
The resulting powder was then heated to 1050 ° C. in an oxygen stream for 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, cooled to near room temperature in the furnace, and fired to remove excess lithium salt. The product was washed with distilled water, filtered, and dried in the air at 300 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図8に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは上記参考文献に記載されている単斜晶層状岩
塩型のLi2MnO3の単位胞
The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of monoclinic layered rock salt type Li 2 MnO 3 described in the above references.

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9341(3)Å, b=8.5407(4)Å、c=5.0249(2)Å。β=109.290(3)°)のみで指数付けできた。
Figure 0005263761
It was possible to index only with a crystal phase having (a = 4.9341 (3) Å, b = 8.5407 (4) Å, c = 5.0249 (2) Å, β = 109.290 (3) °).

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、77.7(4)%であるのに対して2b位置の遷移金
属占有率(g2b)は35.7(5)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは+42.0(5)%であ
り正の値であった。この結果から、実施例3で得られたリチウムマンガン系複合酸化物は
、六角網目構造を有することがわかる。
The obtained transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position is 77.7 (4)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position is 35.7 (5)%, The defined hexagonal mesh regularity S was +42.0 (5)%, a positive value. From this result, it can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in Example 3 has a hexagonal network structure.

化学分析(上記表1)により、Feが仕込量(10mol%)に近い10モル%(m値)含まれていること、Li/(Mn+Fe)値より計算されるx値が0.31であることから、実施例2において、目的組成のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.31(Fe0. 10Mn0.90)0.69O2)が得られたことが確認で
きた。
According to chemical analysis (Table 1 above), Fe is contained in an amount of 10 mol% (m value) close to the charged amount (10 mol%), and the x value calculated from the Li / (Mn + Fe) value is 0.31. From this, it was confirmed that in Example 2, a lithium manganese composite oxide (Li 1.31 (Fe 0. 10 Mn 0.90 ) 0.69 O 2 ) having the target composition was obtained.

充放電試験
上記実施例3および比較例1で得た各複合酸化物5mgに対し、アセチレンブラック5mg、PTFE粉末0.5mgを乾式混合したものを正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に支持塩であるLiPF6を溶解させた
1M溶液を電解液としてコイン型リチウム電池を作成した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において(電位範囲1.5-5.5V(但し充電容量規制500mAh/g、1サイクル目)、1.5-4.8V(2サイクル目以降)、電流密度40mA/g)、充電開始にて検討した。
Charge / Discharge Test 5 mg of each composite oxide obtained in Example 3 and Comparative Example 1 above was dry mixed with 5 mg of acetylene black and 0.5 mg of PTFE powder as the positive electrode material, and Li metal as the negative electrode material. A coin-type lithium battery was prepared using a 1M solution in which LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of dimethyl carbonate and dimethyl carbonate as an electrolyte. Charging / discharging characteristics of this lithium battery at 30 ° C (potential range 1.5-5.5V (charge capacity regulation 500mAh / g, 1st cycle), 1.5-4.8V (after 2nd cycle), current density 40mA / g), We examined at the start of charging.

実施例3(図中の実線)と比較例1(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期および20サイクル後の放電特性を図9のグラフに示す。上記表2に上記試験
で得られた初期放電データおよび20サイクル後の放電容量を示す。
The graph of FIG. 9 shows the discharge characteristics at the initial stage and after 20 cycles for the lithium batteries using the positive electrode materials of Example 3 (solid line in the figure) and Comparative Example 1 (dashed line in the figure). Table 2 shows the initial discharge data obtained in the above test and the discharge capacity after 20 cycles.

図9および表2から、実施例2で得られた正極材料は、比較例1の試料に対して初期特性(初期放電容量、初期充放電効率、放電平均電圧、放電エネルギー密度)に関して僅かに劣るものの、20サイクル後の放電曲線より、放電容量は初期放電容量とほとんど差はなく、サイクル経過に伴う電圧低下も比較例1の試料に比べて著しく低く抑えられていることが
わかる。これらの結果より、六角網目構造の単斜晶層状岩塩型結晶相を含む実施例3の試
料の方が、逆六角網目構造を有する比較例1の試料よりも、充放電サイクル特性に優れた
ものであることが明らかである。
From FIG. 9 and Table 2, the positive electrode material obtained in Example 2 is slightly inferior to the sample of Comparative Example 1 in terms of initial characteristics (initial discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, discharge average voltage, discharge energy density). However, from the discharge curve after 20 cycles, it can be seen that the discharge capacity is almost the same as the initial discharge capacity, and that the voltage drop with the progress of the cycle is suppressed to be significantly lower than that of the sample of Comparative Example 1. From these results, the sample of Example 3 containing a monoclinic layered rock salt type crystal phase having a hexagonal network structure has better charge / discharge cycle characteristics than the sample of Comparative Example 1 having an inverted hexagonal network structure. It is clear that

実施例4
30%硫酸チタン(IV)水溶液20.00gと塩化マンガン(II)4水和物44.53g (全量0.25mol、Ti:Mnモル比=1:9)を用い、蒸留水500mlを加えて溶解させ、金属塩水溶液を作製した。別のビーカーに水酸化リチウム水溶液(蒸留水1000mlに水酸化リチウム1水和物100gを溶解させた溶液)を作製した。この水酸化リチウム水溶液をチタン製ビーカーに入れ、エタノール300mlを加えて攪拌後、恒温漕内に静置し、恒温漕内を-10℃に保った。次いで、この水酸化
リチウム水溶液に上記金属塩水溶液を2〜3時間かけて徐々に滴下して、Ti-Mn沈殿物を形
成させた。反応液が完全にアルカリ性(pH11以上)になっていることを確認し、攪拌下に共沈物を含む反応液に室温で12時間以上空気を吹き込んで酸化処理して、沈殿を熟成させた。
Example 4
Using 20.00 g of 30% titanium sulfate (IV) aqueous solution and 44.53 g of manganese (II) chloride tetrahydrate (total amount 0.25 mol, Ti: Mn molar ratio = 1: 9), 500 ml of distilled water was added and dissolved, An aqueous salt solution was prepared. An aqueous lithium hydroxide solution (a solution in which 100 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 1000 ml of distilled water) was prepared in another beaker. This lithium hydroxide aqueous solution was put into a titanium beaker, 300 ml of ethanol was added and stirred, and then left in a constant temperature bath to keep the constant temperature chamber at -10 ° C. Next, the metal salt aqueous solution was gradually dropped into the lithium hydroxide aqueous solution over 2 to 3 hours to form a Ti-Mn precipitate. After confirming that the reaction solution was completely alkaline (pH 11 or more), air was blown into the reaction solution containing the coprecipitate with stirring at room temperature for 12 hours or more to ripen the precipitate.

得られた沈殿を蒸留水で洗浄して濾別し、この沈殿生成物を水酸化リチウム1水和物50g、塩素酸カリウム50g、水酸化カリウム309g及び蒸留水600mlとともにポリテトラフルオロエチレンビーカー中に入れ、よく攪拌した。この水溶液のpHは11以上であった。その後、水熱反応炉(オートクレーブ)内に設置し、220℃で48時間水熱処理した。   The resulting precipitate was washed with distilled water and filtered, and the precipitated product was placed in a polytetrafluoroethylene beaker together with 50 g of lithium hydroxide monohydrate, 50 g of potassium chlorate, 309 g of potassium hydroxide and 600 ml of distilled water. And stirred well. The pH of this aqueous solution was 11 or more. Thereafter, it was placed in a hydrothermal reactor (autoclave) and hydrothermally treated at 220 ° C. for 48 hours.

水熱処理終了後、反応炉を室温付近まで冷却し、水熱処理反応液を含むビーカーをオートクレーブ外に取り出し、生成している沈殿物を蒸留水で洗浄して、過剰に存在する水酸化リチウムなどの塩類を除去し、濾過し、200℃、10時間大気中乾燥して、目的物である
リチウムマンガン系複合酸化物を粉末状生成物として得た。
After the hydrothermal treatment is completed, the reaction furnace is cooled to near room temperature, the beaker containing the hydrothermal treatment reaction solution is taken out of the autoclave, and the generated precipitate is washed with distilled water to remove excess lithium hydroxide and the like. Salts were removed, filtered, and dried in air at 200 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

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

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9415(11)Å, b=8.5489(14)Å、c=5.0294(6)Å。β=109.219(16)°
)のみで指数付けできた。
Figure 0005263761
(A = 4.9415 (11) Å, b = 8.5489 (14) Å, c = 5.0294 (6) Å. Β = 109.219 (16) °
) Was able to index.

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、74.4(4)%であるのに対して2b位置の遷移金
属占有率(g2b)は39.9(8)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは+34.5(8)%であ
り正の値であった。この結果から、実施例4で得られたリチウムマンガン系複合酸化物は
、六角網目構造を有することがわかる。
The obtained transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position is 74.4 (4)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position is 39.9 (8)%, The defined hexagonal mesh regularity S was +34.5 (8)%, a positive value. From this result, it can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in Example 4 has a hexagonal network structure.

化学分析(上記表1)により、Tiが仕込量(10mol%)に近い10モル%(n値)含まれていること、Li/(Mn+Ti)値より計算されるx値が0.29であることから、実施例4において、目的組成のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.29(Ti0. 10Mn0.90)0.71O2)が得られたことが確認で
きた。
According to chemical analysis (Table 1 above), Ti is 10 mol% (n value) close to the charged amount (10 mol%), x value calculated from Li / (Mn + Ti) value is 0.29 From this, it was confirmed that in Example 4, a lithium manganese composite oxide (Li 1.29 (Ti 0. 10 Mn 0.90 ) 0.71 O 2 ) having the target composition was obtained.

比較例2
30%硫酸チタン(IV)水溶液80.00gと過マンガン(VII)酸カリウム23.70g (全量0.25mol、Ti:Mnモル比=4:6)を用いる以外は、実施例4と同様に沈殿作製、沈殿熟成処理を行った。
Comparative Example 2
Precipitation preparation and precipitation as in Example 4 except that 80.00 g of 30% titanium sulfate (IV) aqueous solution and 23.70 g of potassium permanganate (VII) (total amount 0.25 mol, Ti: Mn molar ratio = 4: 6) were used. Aging treatment was performed.

得られた沈殿を蒸留水で洗浄して濾別し、この沈殿生成物を水酸化リチウム1水和物50g、塩素酸カリウム50g、水酸化カリウム309g及び蒸留水600mlとともにポリテトラフルオロエチレンビーカー中に入れ、よく攪拌した。この水溶液のpHは11以上であった。その
後、水熱反応炉(オートクレーブ)内に設置し、220℃で8時間水熱処理した。
The resulting precipitate was washed with distilled water and filtered, and the precipitated product was placed in a polytetrafluoroethylene beaker together with 50 g of lithium hydroxide monohydrate, 50 g of potassium chlorate, 309 g of potassium hydroxide and 600 ml of distilled water. And stirred well. The pH of this aqueous solution was 11 or more. Thereafter, it was placed in a hydrothermal reactor (autoclave) and hydrothermally treated at 220 ° C. for 8 hours.

水熱処理終了後、反応炉を室温付近まで冷却し、水熱処理反応液を含むビーカーをオートクレーブ外に取り出し、生成している沈殿物を蒸留水で洗浄して、過剰に存在する水酸化リチウムなどの塩類を除去し、濾過することにより、粉末状生成物(リチウムマンガン系複合酸化物)を得た。   After the hydrothermal treatment is completed, the reaction furnace is cooled to near room temperature, the beaker containing the hydrothermal treatment reaction solution is taken out of the autoclave, and the generated precipitate is washed with distilled water to remove excess lithium hydroxide and the like. Salts were removed and filtered to obtain a powdery product (lithium manganese composite oxide).

濾過して得た粉末を、水酸化リチウム1水和物5.25gを蒸留水100mlに溶解させた水酸化
リチウム水溶液と混合し、攪拌後、100℃において一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した
The powder obtained by filtration was mixed with lithium hydroxide aqueous solution in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 ml of distilled water, stirred, dried overnight at 100 ° C, and pulverized to produce powder did.

次いで、得られた粉末を大気中で1時間かけて750℃まで昇温し、その温度で1分間焼成後、炉中で室温付近まで冷却し、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を蒸留水で水洗し、濾過し、300℃、10時間大気中乾燥して、目的物であるリチウムマンガン系複合
酸化物を粉末状生成物として得た。
Next, the obtained powder was heated to 750 ° C. in the air over 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, then cooled to near room temperature in the furnace, and the fired product was removed to remove excess lithium salt. Was washed with distilled water, filtered, and dried in the atmosphere at 300 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powdery product.

この最終生成物のX線回折パターンを図11に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは上記参考文献に記載されている単斜晶層状岩塩型のLi2MnO3の単位胞 The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of monoclinic layered rock salt type Li 2 MnO 3 described in the above references.

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9775(18)Å, b=8.621(3)Å、c=5.0436(12)Å。β=109.15(3)°)と立方晶岩塩型のLi2TiO3の単位胞
Figure 0005263761
Unit cell of Li 2 TiO 3 with cubic phase (a = 4.9775 (18) Å, b = 8.621 (3) Å, c = 5.0436 (12) Å, β = 109.15 (3) °)

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.0912(5)Åの二相共存状態として指数付けできた。両相の存在比は
単斜晶相が64%、立方晶相が36%であった。
Figure 0005263761
It was indexed as a two-phase coexistence state of a crystal phase (a = 4.0912 (5) Å). The abundance ratio of both phases was 64% for the monoclinic phase and 36% for the cubic phase.

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、63.7(12)%であるのに対して2b位置の遷移金属占有率(g2b)は63.1(18)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは+0.8(18)%であり誤差範囲を含めると正の値とはいえず零であった。この結果から、比較例2で得られた
リチウムマンガン系複合酸化物は、特許文献6で明らかにされているランダム構造を有す
ることがわかる。
The obtained transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position is 63.7 (12)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position is 63.1 (18)%, The defined hexagonal mesh regularity S is +0.8 (18)%, and it is not a positive value but zero when the error range is included. From this result, it can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in Comparative Example 2 has a random structure disclosed in Patent Document 6.

化学分析(上記表1)により、Tiが仕込量(40mol%)に近い42モル%(n値)含まれていること、Li/(Mn+Fe)値より計算されるx値が0.31であることから、比較例2において、目的組成のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.31(Ti0. 42Mn0.58)0.69O2)が得られたことが確認で
きた。
According to chemical analysis (Table 1 above), Ti contained 42 mol% (n value) close to the charged amount (40 mol%), and x value calculated from Li / (Mn + Fe) value is 0.31. Thus, it was confirmed that in Comparative Example 2, a lithium manganese composite oxide (Li 1.31 (Ti 0.42 Mn 0.58 ) 0.69 O 2 ) having the target composition was obtained.

充放電試験
上記実施例4および比較例2で得た各複合酸化物5mgに対し、アセチレンブラック5mg、PTFE粉末0.5mgを乾式混合したものを正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレ
ンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に支持塩であるLiPF6を溶解させた
1M溶液を電解液としてコイン型リチウム電池を作成した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において(電位範囲1.5-5.5V(但し充電容量規制500mAh/g、1サイクル目)、1.5-4.8V(2サイクル目以降)、電流密度40mA/g)、充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 5 mg of each composite oxide obtained in Example 4 and Comparative Example 2 above, 5 mg of acetylene black and 0.5 mg of PTFE powder were dry-mixed as a positive electrode material, and Li metal was used as a negative electrode material. A coin-type lithium battery was prepared using a 1M solution in which LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of dimethyl carbonate and dimethyl carbonate as an electrolyte. Charging / discharging characteristics of this lithium battery at 30 ° C (potential range 1.5-5.5V (charge capacity regulation 500mAh / g, 1st cycle), 1.5-4.8V (after 2nd cycle), current density 40mA / g), We examined at the start of charging.

実施例4(図中の実線)と比較例2(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期および20サイクル後の放電特性を図12のグラフに示す。上記表2に上記試験で得られた初期放電データおよび20サイクル後の放電容量を示す。   The graph of FIG. 12 shows the discharge characteristics at the initial stage and after 20 cycles for the lithium batteries using the positive electrode materials of Example 4 (solid line in the figure) and Comparative Example 2 (dashed line in the figure). Table 2 shows the initial discharge data obtained in the above test and the discharge capacity after 20 cycles.

図12および表2から、実施例4で得られた正極材料は、比較例2の試料に対して放電平均
電圧のみ僅かに低いものの、初期及び20サイクル後放電容量、初期充放電効率、放電エネルギー密度に関して優れていることがわかる。特に初期放電エネルギー密度は1000mWh/g
を超えるものが得られている。これらの結果より、六角網目構造の単斜晶層状岩塩型結晶相を含む実施例4の試料の方が、ランダム構造を有する比較例2の試料よりも、充放電特性に優れたものであることが明らかである。
From FIG. 12 and Table 2, the positive electrode material obtained in Example 4 is only slightly lower in discharge average voltage than the sample of Comparative Example 2, but the initial and 20-cycle discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, discharge energy. It can be seen that the density is excellent. Especially initial discharge energy density is 1000mWh / g
More than is obtained. From these results, the sample of Example 4 containing a monoclinic layered rock salt type crystal phase of hexagonal network structure is superior in charge / discharge characteristics than the sample of Comparative Example 2 having a random structure. Is clear.

実施例5
30%硫酸チタン(IV)水溶液100.00gと塩化マンガン(II)4水和物24.74g (全量0.25mol、Ti:Mnモル比=5:5)を用いる以外は、実施例4と同様に沈殿作製及び沈殿熟成を行った。
Example 5
Precipitation was produced in the same manner as in Example 4 except that 100.00 g of 30% titanium sulfate (IV) aqueous solution and 24.74 g of manganese chloride (II) tetrahydrate (total amount: 0.25 mol, Ti: Mn molar ratio = 5: 5) were used. And precipitation aging was performed.

得られた沈殿を蒸留水で洗浄して濾別し、この沈殿生成物を水熱処理することなく、0.50molの水酸化リチウム1水和物20.98gを溶解させた蒸留水300ml中に入れ、よく攪拌した。攪拌後、100℃において一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した。次いで、得られた粉末
を大気中で1時間かけて950℃まで昇温し、その温度で1分間焼成後、炉中で室温付近まで冷却し、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を粉砕後、蒸留水で水洗、濾過し、300℃、10時間大気中乾燥して、目的物であるリチウムマンガン系複合酸化物を粉末状生
成物として得た。
The obtained precipitate was washed with distilled water and filtered, and this precipitated product was put into 300 ml of distilled water in which 20.98 g of 0.50 mol of lithium hydroxide monohydrate was dissolved without hydrothermal treatment. Stir. After stirring, it was dried overnight at 100 ° C. and pulverized to produce a powder. Next, the obtained powder was heated to 950 ° C. in the air over 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, then cooled to near room temperature in the furnace, and the calcined product was removed to remove excess lithium salt. After being pulverized, it was washed with distilled water, filtered, and dried in the atmosphere at 300 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図13に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは上記参考文献に記載されている単斜晶層状岩塩型のLi2MnO3の単位胞 The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of monoclinic layered rock salt type Li 2 MnO 3 described in the above references.

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9927(10)Å, b=8.6454(12)Å、c=5.0542(6)Å。β=109.345(13)°
)のみで指数付けできた。
Figure 0005263761
(A = 4.9927 (10) Å, b = 8.6454 (12) Å, c = 5.0542 (6) Å. Β = 109.345 (13) °
) Was able to index.

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、69.8(8)%であるのに対して2b位置の遷移金
属占有率(g2b)は50.2(10)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは+19.6(10)%で
あり正の値であった。この結果から、実施例5で得られたリチウムマンガン系複合酸化物
は、六角網目構造を有することがわかる。
The obtained transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position is 69.8 (8)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position is 50.2 (10)%, The defined hexagon mesh regularity S is +19.6 (10)%, which is a positive value. From this result, it can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in Example 5 has a hexagonal network structure.

化学分析(上記表1)により、Tiが仕込量(50mol%)に近い50モル%(n値)含まれていること、Li/(Mn+Ti)値より計算されるx値が0.31であることから、実施例5において、目的組成のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.31(Ti0. 50Mn0.50)0.69O2)が得られたことが確認で
きた。
According to chemical analysis (Table 1 above), Ti is included at 50 mol% (n value) close to the charged amount (50 mol%), and the x value calculated from the Li / (Mn + Ti) value is 0.31. since, in example 5, it was confirmed that the lithium-manganese-based composite oxide of the target composition (Li 1.31 (Ti 0. 50 Mn 0.50) 0.69 O 2) was obtained.

充放電試験
上記実施例5および比較例2で得た各複合酸化物5mgに対し、アセチレンブラック5mg、PTFE粉末0.5mgを乾式混合したものを正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレ
ンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に支持塩であるLiPF6を溶解させた
1M溶液を電解液としてコイン型リチウム電池を作成した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において(電位範囲1.5-5.5V(但し充電容量規制500mAh/g、1サイクル目)、1.5-4.
8V(2サイクル目以降)、電流密度40mA/g)、充電開始にて検討した。
Charge / discharge test 5 mg of each composite oxide obtained in Example 5 and Comparative Example 2 above, 5 mg of acetylene black and 0.5 mg of PTFE powder were dry-mixed as a positive electrode material, and Li metal was used as a negative electrode material. A coin-type lithium battery was prepared using a 1M solution in which LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of dimethyl carbonate and dimethyl carbonate as an electrolyte. The charge / discharge characteristics of this lithium battery at 30 ° C (potential range 1.5-5.5V (however, charge capacity regulation 500mAh / g, 1st cycle), 1.5-4.
8V (2nd cycle and later), current density 40mA / g), the start of charging was studied.

実施例5(図中の実線)と比較例2(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期および20サイクル後の放電特性を図14のグラフに示す。上記表2に上記試験で得られた初期放電データおよび20サイクル後の放電容量を示す。   FIG. 14 is a graph showing the discharge characteristics at the initial stage and after 20 cycles for the lithium batteries using the positive electrode materials of Example 5 (solid line in the figure) and Comparative Example 2 (dashed line in the figure). Table 2 shows the initial discharge data obtained in the above test and the discharge capacity after 20 cycles.

図14および表2から、実施例5で得られた正極材料は、比較例2の試料に対して放電平均
電圧のみ僅かに低いものの、初期及び20サイクル後放電容量、初期充放電効率、放電エネルギー密度に関して優れていることがわかる。特に20サイクル経過後の放電曲線より、サイクル劣化に伴う電圧低下の抑制効果が顕著である。これらの結果より、六角網目構造の単斜晶層状岩塩型結晶相を含む実施例5の試料の方が、ランダム構造を有する比較例2の試料よりも、充放電特性に優れたものであることが明らかである。
From FIG. 14 and Table 2, the positive electrode material obtained in Example 5 was only slightly lower in discharge average voltage than the sample of Comparative Example 2, but the initial and 20-cycle discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, discharge energy. It can be seen that the density is excellent. In particular, from the discharge curve after 20 cycles, the effect of suppressing the voltage drop due to cycle deterioration is remarkable. From these results, the sample of Example 5 containing a monoclinic layered rock salt type crystal phase of hexagonal network structure has better charge / discharge characteristics than the sample of Comparative Example 2 having a random structure. Is clear.

実施例6
硝酸鉄(III)9水和物5.05gと30%硫酸チタン水溶液10.00g、塩化マンガン(II)4水和物44.53g (全量0.25mol、Fe:Ti:Mnモル比=1:1:18)を用いる以外は、実施例1と同様に沈殿作製
及び沈殿熟成を行った。
Example 6
Iron (III) nitrate nonahydrate 5.05g and 30% titanium sulfate aqueous solution 10.00g, manganese (II) chloride tetrahydrate 44.53g (total amount 0.25mol, Fe: Ti: Mn molar ratio = 1: 1: 18) Precipitation preparation and precipitation ripening were performed in the same manner as in Example 1 except that was used.

以後実施例2と同様に沈殿の水熱処理(220℃、48時間)、LiOH添加後焼成(550℃、大気中)、後処理、乾燥を実施して目的物質であるリチウムマンガン系複合酸化物を得た。   Thereafter, the hydrothermal treatment of the precipitate (220 ° C., 48 hours), firing after adding LiOH (550 ° C. in the air), post-treatment, and drying were performed in the same way as in Example 2 to obtain the target lithium manganese composite oxide. Obtained.

この最終生成物のX線回折パターンを図15に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは上記参考文献に記載されている単斜晶層状岩塩型のLi2MnO3の単位胞 The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of monoclinic layered rock salt type Li 2 MnO 3 described in the above references.

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.9419(9)Å, b=8.5517(11)Å、c=5.0261(6)Å。β=109.257(12)°)のみで指数付けできた。
Figure 0005263761
It was possible to index only with a crystal phase having (a = 4.9419 (9) Å, b = 8.5517 (11) Å, c = 5.0261 (6) Å, β = 109.257 (12) °).

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、78.7(4)%であるのに対して2b位置の遷移金
属占有率(g2b)は32.5(6)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは+46.2(6)%であ
り正の値であった。この結果から、実施例6で得られたリチウムマンガン系複合酸化物は
、六角網目構造を有することがわかる。
The resulting transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position is 78.7 (4)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position is 32.5 (6)%, The defined hexagonal mesh regularity S was +46.2 (6)%, a positive value. From this result, it can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in Example 6 has a hexagonal network structure.

化学分析(上記表1)により、FeおよびTiが仕込量(5mol%)に近いそれぞれ5.2および5.1
モル%(mおよびn値)含まれていること、Li/(Mn+Fe+Ti)値より計算されるx値が0.32である
ことから、実施例6において、目的組成のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.32(Fe0.052Ti0.051Mn0.897)0.68O2) が得られたことが確認できた。
According to chemical analysis (Table 1 above), Fe and Ti are close to the charged amount (5 mol%), respectively 5.2 and 5.1.
In Example 6, since the x value calculated from the Li / (Mn + Fe + Ti) value is 0.32, the lithium manganese-based composite oxidation of the target composition is included. It was confirmed that the product (Li 1.32 (Fe 0.052 Ti 0.051 Mn 0.897 ) 0.68 O 2 ) was obtained.

比較例3
硝酸鉄(III)9水和物20.20gと30%硫酸チタン水溶液40.00g、塩化マンガン(II)4水和物29.69g (全量0.25mol、Fe:Ti:Mnモル比=2:2:6)を用いる以外は、実施例1と同様に沈殿作製
及び沈殿熟成を行った。
Comparative Example 3
Iron (III) nitrate nonahydrate 20.20g, 30% titanium sulfate aqueous solution 40.00g, manganese (II) chloride tetrahydrate 29.69g (total amount 0.25mol, Fe: Ti: Mn molar ratio = 2: 2: 6) Precipitation preparation and precipitation ripening were performed in the same manner as in Example 1 except that was used.

以後実施例1と同様に沈殿の水熱処理(220℃、8時間)を行い、生成物を蒸留水で洗浄し
て濾別し、水酸化リチウム1水和物5.25gを溶解させた蒸留水100ml中に入れ、よく攪拌した。攪拌後、100℃において一晩乾燥し、粉砕して粉末を作製した。次いで、得られた粉
末を大気中で1時間かけて650℃まで昇温し、その温度で1分間焼成後、炉中で室温付近ま
で冷却し、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を粉砕後、蒸留水で水洗、濾過し、300℃、10時間大気中乾燥して、目的物であるリチウムマンガン系複合酸化物を粉末状
生成物として得た。
Thereafter, the precipitate was hydrothermally treated (220 ° C., 8 hours) in the same manner as in Example 1. The product was washed with distilled water, filtered, and 100 ml of distilled water in which 5.25 g of lithium hydroxide monohydrate was dissolved. Placed in and stirred well. After stirring, it was dried overnight at 100 ° C. and pulverized to produce a powder. Next, the obtained powder was heated to 650 ° C. in the air over 1 hour, fired at that temperature for 1 minute, then cooled to near room temperature in the furnace, and the fired product was removed to remove excess lithium salt. After being pulverized, it was washed with distilled water, filtered, and dried in the atmosphere at 300 ° C. for 10 hours to obtain the target lithium manganese composite oxide as a powder product.

この最終生成物のX線回折パターンを図16に示す。リートベルト解析結果(プログラムはRIETAN-2000を使用)より、すべてのピークは上記参考文献に記載されている単斜晶層状岩塩型のLi2MnO3の単位胞 The X-ray diffraction pattern of this final product is shown in FIG. From the results of Rietveld analysis (the program uses RIETAN-2000), all peaks are unit cells of monoclinic layered rock salt type Li 2 MnO 3 described in the above references.

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.972(2)Å, b=8.620(3)Å、c=5.0413(15)Å。β=109.10(4)°)と立方晶岩塩型のLi2TiO3の単位胞
Figure 0005263761
Unit cell of Li 2 TiO 3 with cubic phase (a = 4.972 (2) Å, b = 8.620 (3) Å, c = 5.0413 (15) Å, β = 109.10 (4) °)

Figure 0005263761
を有する結晶相(a=4.0916(5)Åの二相共存状態として指数付けできた。両相の存在比は
単斜晶相が60%、立方晶相が40%であった。
Figure 0005263761
It was indexed as a two-phase coexistence state of a crystal phase with a = 4.0916 (5) Å. The abundance ratio of both phases was 60% for the monoclinic phase and 40% for the cubic phase.

得られた4g位置の遷移金属占有率(g4g)は、69.1(15)%であるのに対して2b位置の遷移金属占有率(g2b)は83.3(19)%であり、その差で定義される六角網目規則度Sは-14.2(19)%で
あり負の値であった。この結果から、比較例3で得られたリチウムマンガン系複合酸化物
は、逆六角網目構造を有することがわかる。
The obtained transition metal occupancy (g 4g ) at the 4g position was 69.1 (15)%, whereas the transition metal occupancy (g 2b ) at the 2b position was 83.3 (19)%, The defined hexagon mesh regularity S was -14.2 (19)%, which was a negative value. From this result, it can be seen that the lithium manganese composite oxide obtained in Comparative Example 3 has an inverted hexagonal network structure.

化学分析(上記表1)により、FeおよびTiが仕込量(20mol%)に近いそれぞれ21および21モル%(mおよびn値)含まれていること、Li/(Mn+Fe+Ti)値より計算されるx値が0.25であるこ
とから、比較例3において、目的組成のリチウムマンガン系複合酸化物(Li1.25(Fe0.21Ti0.21Mn0.58)0.75O2) が得られたことが確認できた。
According to chemical analysis (Table 1 above), Fe and Ti are 21 and 21 mol% (m and n values) close to the charged amount (20 mol%), respectively, and Li / (Mn + Fe + Ti) values Since the calculated x value was 0.25, in Comparative Example 3, it was confirmed that a lithium manganese-based composite oxide (Li 1.25 (Fe 0.21 Ti 0.21 Mn 0.58 ) 0.75 O 2 ) having the target composition was obtained. .

充放電試験
上記実施例6および比較例3で得た各複合酸化物5mgに対し、アセチレンブラック5mg、PTFE粉末0.5mgを乾式混合したものを正極材料とし、Li金属を負極材料として用い、エチレ
ンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に支持塩であるLiPF6を溶解させた
1M溶液を電解液としてコイン型リチウム電池を作成した。このリチウム電池の充放電特性を30℃において(電位範囲1.5-5.5V(但し充電容量規制500mAh/g、1サイクル目)、1.5-4.8V(2サイクル目以降)、電流密度40mA/g)、充電開始にて検討した。
Charging / discharging test 5 mg of each composite oxide obtained in Example 6 and Comparative Example 3 above, 5 mg of acetylene black and 0.5 mg of PTFE powder were dry-mixed as a positive electrode material, and Li metal was used as a negative electrode material. A coin-type lithium battery was prepared using a 1M solution in which LiPF 6 as a supporting salt was dissolved in a mixed solvent of dimethyl carbonate and dimethyl carbonate as an electrolyte. Charging / discharging characteristics of this lithium battery at 30 ° C (potential range 1.5-5.5V (charge capacity regulation 500mAh / g, 1st cycle), 1.5-4.8V (after 2nd cycle), current density 40mA / g), We examined at the start of charging.

実施例6(図中の実線)と比較例3(図中の破線)の各正極材料を用いたリチウム電池について、初期および20サイクル後の放電特性を図17のグラフに示す。上記表2に上記試験で得られた初期放電データおよび20サイクル後の放電容量を示す。   The graph of FIG. 17 shows the discharge characteristics at the initial stage and after 20 cycles for the lithium batteries using the positive electrode materials of Example 6 (solid line in the figure) and Comparative Example 3 (dashed line in the figure). Table 2 shows the initial discharge data obtained in the above test and the discharge capacity after 20 cycles.

図17および表2から、実施例6で得られた正極材料は、比較例3の試料に対して放電平均
電圧、初期及び20サイクル後放電容量、初期充放電効率、放電エネルギー密度に関して優れていることがわかる。これらの結果より、六角網目構造の単斜晶層状岩塩型結晶相を含む実施例6の試料の方が、逆六角網目構造を有する比較例3の試料よりも充放電特性に優れたものであることが明らかである。
From FIG. 17 and Table 2, the positive electrode material obtained in Example 6 is superior to the sample of Comparative Example 3 in terms of discharge average voltage, initial and 20-cycle discharge capacity, initial charge and discharge efficiency, and discharge energy density. I understand that. From these results, the sample of Example 6 containing the hexagonal network monoclinic layered rock salt type crystal phase has better charge / discharge characteristics than the sample of Comparative Example 3 having an inverted hexagonal network structure. It is clear.

以上の実施例及び比較例の結果から明らかなように、本発明の六角網目構造を有する単斜晶層状岩塩型結晶相を含むリチウムマンガン複合酸化物は、室温において優れた放電特
性を示すことから、小型民生用のみならず車載用などの大型リチウムイオン二次電池用正極材料として、優れた性能を有することが明らかとなった。
As is clear from the results of the above Examples and Comparative Examples, the lithium manganese composite oxide containing the monoclinic layered rock salt type crystal phase having the hexagonal network structure of the present invention exhibits excellent discharge characteristics at room temperature. As a positive electrode material for large-sized lithium ion secondary batteries not only for small-sized consumers but also for vehicles, it has been revealed that it has excellent performance.

本発明のリチウムマンガン系複合酸化物を構成する結晶相の内で、単斜晶層状岩塩型構造の結晶相を模式的に示す図面であり、Li層とMnとFe及び/またはTiからなる遷移金属Mを含むM-Li層の積層状態を示すものである。FIG. 2 is a drawing schematically showing a monoclinic layered rock salt type crystal phase among the crystal phases constituting the lithium manganese composite oxide of the present invention, and a transition composed of a Li layer and Mn, Fe and / or Ti. 2 shows a stacked state of an M-Li layer containing a metal M. FIG. 本発明のリチウムマンガン系複合酸化物を構成する結晶相の内で、単斜晶層状岩塩型構造の結晶相を模式的に示す図面であり、MnとFe及び/またはTiからなる遷移金属Mを含むM-Li層内の陽イオン配列を示すものである。FIG. 2 is a drawing schematically showing a monoclinic layered rock salt type crystal phase among the crystal phases constituting the lithium manganese composite oxide of the present invention, and a transition metal M composed of Mn and Fe and / or Ti. It shows the cation arrangement in the included M-Li layer. 実施例1で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する単斜晶相の各回折ピーク位置が垂直棒の形でパターン直下に示されている。1 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Example 1. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each diffraction peak position of the monoclinic phase constituting the calculation curve is shown in the form of a vertical bar immediately below the pattern. 比較例1で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する各相(上段が単斜晶相と下段が立方晶相に相当)が垂直棒の形でパターン直下に示されている。6 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Comparative Example 1. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each phase constituting the calculation curve (the upper part corresponds to the monoclinic phase and the lower part corresponds to the cubic phase) is shown directly below the pattern in the form of vertical bars. 実施例1および比較例1で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の30℃における初期および20サイクル後の放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic after the initial stage and 30 cycles at 30 degreeC of the coin-type lithium battery which each used the sample obtained in Example 1 and Comparative Example 1 as a positive electrode material. 実施例2で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する単斜晶相の各回折ピーク位置が垂直棒の形でパターン直下に示されている。2 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Example 2. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each diffraction peak position of the monoclinic phase constituting the calculation curve is shown in the form of a vertical bar immediately below the pattern. 実施例2および比較例1で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の30℃における初期および20サイクル後の放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic after the initial stage and 30 cycles at 30 degreeC of the coin-type lithium battery which used the sample obtained in Example 2 and Comparative Example 1 as a positive electrode material, respectively. 実施例3で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する単斜晶相の各回折ピーク位置が垂直棒の形でパターン直下に示されている。2 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Example 3. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each diffraction peak position of the monoclinic phase constituting the calculation curve is shown in the form of a vertical bar immediately below the pattern. 実施例3および比較例1で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の30℃における初期および20サイクル後の放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic after 30 cycles of the initial stage in 20 degreeC of the coin-type lithium battery which used the sample obtained in Example 3 and the comparative example 1 as a positive electrode material, respectively. 実施例4で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する単斜晶相の各回折ピーク位置が垂直棒の形でパターン直下に示されている。6 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Example 4. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each diffraction peak position of the monoclinic phase constituting the calculation curve is shown in the form of a vertical bar immediately below the pattern. 比較例2で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する各相(上段が単斜晶相と下段が立方晶相に相当)が垂直棒の形でパターン直下に示されている。6 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Comparative Example 2. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each phase constituting the calculation curve (the upper part corresponds to the monoclinic phase and the lower part corresponds to the cubic phase) is shown directly below the pattern in the form of vertical bars. 実施例4および比較例2で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の30℃における初期および20サイクル後の放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic after 30 cycles of the initial stage in 20 degreeC of the coin-type lithium battery which used the sample obtained in Example 4 and Comparative Example 2 as a positive electrode material, respectively. 実施例5で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する単斜晶相の各回折ピーク位置が垂直棒の形でパターン直下に示されている。6 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Example 5. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each diffraction peak position of the monoclinic phase constituting the calculation curve is shown in the form of a vertical bar immediately below the pattern. 実施例5および比較例2で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の30℃における初期および20サイクル後の放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic after 30 cycles of the initial stage in 30 degreeC of the coin-type lithium battery which used the sample obtained in Example 5 and the comparative example 2 as a positive electrode material, respectively. 実施例6で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する単斜晶相の各回折ピーク位置が垂直棒の形でパターン直下に示されている。6 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Example 6. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each diffraction peak position of the monoclinic phase constituting the calculation curve is shown in the form of a vertical bar immediately below the pattern. 比較例3で得られたX線回折パターンを示す図面である。+の記号が実測値、実線が計算曲線である。その残差がパターンの下に同一スケールで示されている。計算曲線を構成する各相(上段が単斜晶相と下段が立方晶相に相当)が垂直棒の形でパターン直下に示されている。6 is a drawing showing an X-ray diffraction pattern obtained in Comparative Example 3. The + symbol is the measured value, and the solid line is the calculated curve. The residual is shown on the same scale below the pattern. Each phase constituting the calculation curve (the upper part corresponds to the monoclinic phase and the lower part corresponds to the cubic phase) is shown directly below the pattern in the form of vertical bars. 実施例6および比較例3で得られた試料をそれぞれ正極材料として用いたコイン型リチウム電池の30℃における初期および20サイクル後の放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge characteristic after 30 cycles of the coin-type lithium battery which used the sample obtained in Example 6 and Comparative Example 3 as positive electrode materials, respectively, at 30 ° C.

Claims (8)

組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2(式中、各添字は次の通りである:0<x<1/3, 0≦m≦0.60, 0≦n≦0.80, 0<m+n≦0.80)で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有する結
晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物であって、
該単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の遷移金属含有層内の六角網目規則構造にお
いて、六角網目格子構成位置の遷移金属占有率が、六角網目中心位置の遷移金属占有率より大きいことを特徴とするリチウムマンガン系複合酸化物。
Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 (wherein the subscripts are as follows: 0 <x <1/3, 0 ≦ m ≦ 0.60, 0 ≦ n ≦ 0.80, 0 <m + n ≦ 0.80), and a lithium manganese based composite oxide containing a crystal phase having a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure,
In the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer of the crystal phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure, the transition metal occupancy at the hexagonal network lattice position is the transition metal occupancy at the hexagonal network center position. Lithium manganese complex oxide characterized by being larger.
単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の単相、又は単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相と立方晶岩塩型構造の結晶相の混合相からなる請求項1に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。 Crystalline single phase of monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock-salt structure, or monoclinic Li 2 crystal phase of MnO 3 type layered rock-salt structure and the cubic of crystalline phase mixed phase of the rock-salt type structure according Item 2. The lithium manganese composite oxide according to Item 1. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2において、0.05≦m+n≦0.80である請求項1又は2に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。 3. The lithium manganese based composite oxide according to claim 1, wherein in the composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 , 0.05 ≦ m + n ≦ 0.80. チタン化合物及び鉄化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物と、マンガン化合物を含む水溶液をアルカリ性として沈殿を形成した後、形成された沈殿物をリチウム化合物の存在下で焼成することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法。 At least one compound selected from the group consisting of a titanium compound and an iron compound and an aqueous solution containing a manganese compound are made alkaline to form a precipitate, and then the formed precipitate is fired in the presence of a lithium compound. The method for producing a lithium manganese composite oxide according to claim 1. チタン化合物及び鉄化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物と、マンガン化合物を含む水溶液をアルカリ性として沈殿を形成した後、形成された沈殿物を酸化剤および水溶性リチウム化合物と共にアルカリ性条件下で水熱処理することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法。 At least one compound selected from the group consisting of a titanium compound and an iron compound and an aqueous solution containing a manganese compound are made alkaline to form a precipitate, and then the formed precipitate is combined with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions. The method for producing a lithium manganese composite oxide according to any one of claims 1 to 3, wherein hydrothermal treatment is performed. チタン化合物及び鉄化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物と、マンガン化合物を含む水溶液をアルカリ性として沈殿を形成した後、形成された沈殿物を酸化剤および水溶性リチウム化合物と共にアルカリ性条件下で水熱処理した後、リチウム化合物の存在下で焼成することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法。 At least one compound selected from the group consisting of a titanium compound and an iron compound and an aqueous solution containing a manganese compound are made alkaline to form a precipitate, and then the formed precipitate is combined with an oxidizing agent and a water-soluble lithium compound under alkaline conditions. The method for producing a lithium manganese composite oxide according to any one of claims 1 to 3, wherein after the hydrothermal treatment, firing is performed in the presence of a lithium compound. 組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2(式中、各添字は次の通りである:0<x<1/3, 0≦m≦0.60, 0≦n≦0.80, 0<m+n≦0.80)で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有する結
晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物であって、
該単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の遷移金属含有層内の六角網目規則構造にお
いて、六角網目格子構成位置の遷移金属占有率が、六角網目中心位置の遷移金属占有率より大きいリチウムマンガン系複合酸化物からなるリチウムイオン二次電池正極材料。
Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 (wherein the subscripts are as follows: 0 <x <1/3, 0 ≦ m ≦ 0.60, 0 ≦ n ≦ 0.80, 0 <m + n ≦ 0.80), and a lithium manganese based composite oxide containing a crystal phase having a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure,
In the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer of the crystal phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure, the transition metal occupancy at the hexagonal network lattice position is the transition metal occupancy at the hexagonal network center position. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery comprising a larger lithium manganese composite oxide.
組成式:Li1+x(Mn1-m-nFemTin)1-xO2(式中、各添字は次の通りである:0<x<1/3, 0≦m≦0.60, 0≦n≦0.80, 0<m+n≦0.80)で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有する結
晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物であって、
該単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相の遷移金属含有層内の六角網目規則構造にお
いて、六角網目格子構成位置の遷移金属占有率が、六角網目中心位置の遷移金属占有率より大きいリチウムマンガン系複合酸化物からなるリチウムイオン二次電池正極材料を構成要素とするリチウムイオン二次電池。
Composition formula: Li 1 + x (Mn 1-mn Fe m Ti n ) 1-x O 2 (wherein the subscripts are as follows: 0 <x <1/3, 0 ≦ m ≦ 0.60, 0 ≦ n ≦ 0.80, 0 <m + n ≦ 0.80), and a lithium manganese based composite oxide containing a crystal phase having a monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure,
In the hexagonal network regular structure in the transition metal-containing layer of the crystal phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure, the transition metal occupancy at the hexagonal network lattice position is the transition metal occupancy at the hexagonal network center position. A lithium ion secondary battery comprising a lithium ion secondary battery positive electrode material made of a larger lithium manganese composite oxide as a constituent element.
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