JP5418664B2 - 複合酸化物の製造方法、リチウムイオン二次電池用正極活物質およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
また、特許文献2の製造方法によれば、ナノオーダーでLiMn2O4の微粒子を製造することはできるが、LiMn2O4とともにLi2MnO3を含む複合酸化物を作製することはできていない。
少なくとも、Mnを必須とする一種以上の金属元素を含む酸化物、水酸化物および金属塩から選ばれる一種以上のMn含有金属化合物を含む金属化合物原料と、水酸化リチウムおよび硝酸リチウムを含み硝酸リチウムに対する水酸化リチウムの割合(水酸化リチウム/硝酸リチウム)がモル比で0.05以上1未満である溶融塩原料と、を混合して原料混合物を調製する原料混合物調製工程と、
前記原料混合物を溶融して300℃以上550℃以下で反応させる溶融反応工程と、
反応後の前記原料混合物から生成された前記複合酸化物を回収する回収工程と、
を経て前記複合酸化物を得ることを特徴とする。
以下に、本発明の複合酸化物の製造方法の各工程を説明する。本発明の複合酸化物の製造方法は、層状岩塩構造およびスピネル構造の両結晶構造からなり、少なくともリチウム(Li)元素およびマンガン(Mn)元素を含む複合酸化物の製造方法であって、主として、原料混合物調製工程、溶融反応工程および回収工程を含み、必要に応じて、前駆体合成工程および/または加熱焼成処理工程などを含む。
ここで、金属化合物は、4価のMnのみを含んでもよい。これは、酸化状態が適度に調整された溶融塩中で反応が進むため、2価や3価のMnが存在可能となるためである。また、金属化合物は、必ずしも4価のMnを含む必要はなく4価未満のMnのみを含んでもよい。これは、溶融塩中では高酸化状態で反応が進むため、2価や3価のMnであっても少なくとも一部が4価になるためである。Mnを置換する金属元素についても同様である。
焼成は、酸素含有雰囲気中で行われるとよい。加熱焼成工程は、酸素含有雰囲気、たとえば大気中、酸素ガスおよび/またはオゾンガスを含むガス雰囲気中で行うのがよい。酸素ガスを含有する雰囲気であれば、酸素ガス濃度を20〜100体積%さらには50〜100体積%とするのがよい。このような加熱焼成工程を施した複合酸化物は、4価のMnを多く含むスピネル構造化合物を含む。
なお、本明細書において「基本組成とする」とは、化学量論組成のものに限定されるわけではなく、例えば、製造上不可避的に生じるLi、MnまたはOが欠損した非化学量論組成のもの等、をも含む。Liは、原子比で60%以下さらには45%以下がHに置換されてもよい。また、また、Mnは、50%未満さらには80%未満が他の金属元素で置換されていてもよい。他の金属元素としては、電極材料とした場合の充放電可能な容量の観点から、Ni、Al、Co、Fe、Mg、Tiから選ばれるのが好ましい。
本発明の複合酸化物の製造方法により得られた複合酸化物は、非水系電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池用正極活物質として用いることができる。以下に、上記複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池を説明する。リチウムイオン二次電池は、主として、正極、負極および非水電解質を備える。また、一般のリチウムイオン二次電池と同様に、正極と負極の間に挟装されるセパレータを備える。
0.10molの水酸化リチウム一水和物LiOH・H2O(4.2g)と0.15molの硝酸リチウムLiNO3(10.3g)とを混合して溶融塩原料を調製した。ここに金属化合物原料として0.010molの二酸化マンガンMnO2(0.87g)を加えて、原料混合物を調製した。つまり、(金属化合物原料の遷移金属/溶融塩原料のリチウム金属)は、0.01mol/0.25mol=0.04であった。
活性酸素量(%)={(2×V2−V1)×0.00080/試料量}×100
0.10molの水酸化リチウム一水和物LiOH・H2O(4.2g)と0.20molの硝酸リチウムLiNO3(13.8g)とを混合して溶融塩原料を調製した。ここに金属化合物原料として前駆体(1.0g)を加えて原料混合物を調製した。以下に、前駆体の合成手順を説明する。
0.10molの水酸化リチウム一水和物LiOH・H2O(4.2g)と0.30molの硝酸リチウムLiNO3(20.7g)とを混合して溶融塩原料を調製した。ここに金属化合物原料として前駆体(1.0g)を加えて原料混合物を調製した。以下に、前駆体の合成手順を説明する。
実施例1で得られたLi2MnO3−スピネル混相化合物を電気炉にて、大気中400℃1時間焼成した。焼成後の化合物についてXRD測定を行った。測定結果を図1に示した。ICPおよびMnの平均価数分析によれば、得られた組成はLi1.2MnO2.6でMnの平均価数は4.0であると確認されたため、0.5(Li2MnO3)・0.5(Li4Mn5O12)であった。
0.10molの水酸化リチウム一水和物LiOH・H2O(4.2g)と0.025molの二酸化マンガンMnO2(2.18g)とを、乳鉢を用いて混合し、原料混合物を調製した。
<XRD測定>
図1に示したように、実施例1および実施例4の複合酸化物は、焼成の有無にかかわらず、比較例1の複合酸化物から得られたXRDパターンよりもブロードなピークであった。つまり、実施例1および4の製造方法により得られた複合酸化物は、微粒子からなることが推測される。たとえば、実施例1〜4の複合酸化物から得られたXRDパターンの18.5度付近のLi2MnO3における(001)ピークより算出したc軸方向の粒子径は、表1に示したように、4〜15nmであった。
各実施例および比較例の複合酸化物について、実施例の複合酸化物は透過電子顕微鏡(TEM)、比較例の複合酸化物は走査電子顕微鏡(SEM)、を用いて一次粒子を観察した。TEM像およびSEM像から、一次粒子の粒径を測定した。粒径の測定は、粒子を2本の平行線で挟んだ場合の最大長さを測定し、25個測定した数平均値とした。測定結果を表1に示す。また、表1にはXRDパターンの18.5度付近のLi2MnO3における(001)ピークより算出したc軸方向の結晶子の粒子径も示す。なお、比較例の複合酸化物は、(001)ピークの半値幅が小さく結晶子サイズが100nm以上と考えられたため算出しなかった。
実施例1または実施例4の複合酸化物、Li2MnO3−スピネル混相化合物を正極活物質としてそれぞれ用い、二種類のリチウムイオン二次電池を作製した。
上記のリチウムイオン二次電池について、室温にて充放電試験を行った。充放電試験は、0.2Cで4.6VまでCCCV充電(定電流定電圧充電)を行い、正極活物質を活性化させた後、0.2Cで1.4VまでCC放電を行った。2サイクル目以降は、0.2Cで4.6VまでCCCV充電(定電流定電圧充電)を行い、0.2Cで1.4VまでCC放電を行う充放電を、繰り返し行った。なお、定電圧充電の終止条件は0.02Cの電流値とした。充放電試験を2サイクル目まで行った結果を、図2および図3に示した。なお、これらの図において1サイクル目の充放電は(1)および(2)、2サイクル目の充放電は(3)および(4)である。なお、図3のグラフにおいて点線で示すのは、(1)の充電に先立って行われる初回放電である。
Claims (10)
- 層状岩塩構造およびスピネル構造の両結晶構造からなり、少なくともリチウム(Li)元素およびマンガン(Mn)元素を含む複合酸化物の製造方法であって、
少なくとも、Mnを必須とする一種以上の金属元素を含む酸化物、水酸化物および金属塩から選ばれる一種以上のMn含有金属化合物を含む金属化合物原料と、水酸化リチウムおよび硝酸リチウムを含み硝酸リチウムに対する水酸化リチウムの割合(水酸化リチウム/硝酸リチウム)がモル比で0.05以上1未満である溶融塩原料と、を混合して原料混合物を調製する原料混合物調製工程と、
前記原料混合物を溶融して300℃以上550℃以下で反応させる溶融反応工程と、
反応後の前記原料混合物から生成された前記複合酸化物を回収する回収工程と、
を経て前記複合酸化物を得ることを特徴とする複合酸化物の製造方法。 - 前記回収工程の後に、さらに、回収した前記複合酸化物を加熱する加熱焼成処理工程を含む請求項1に記載の複合酸化物の製造方法。
- 前記加熱焼成処理工程は、前記複合酸化物を酸素含有雰囲気中で加熱する工程である請求項2に記載の複合酸化物の製造方法。
- 前記金属化合物原料は、さらに、Mnを除く一種以上の金属元素を含む酸化物、水酸化物および金属塩から選ばれる一種以上の第二の金属化合物を含む請求項1〜3のいずれかに記載の複合酸化物の製造方法。
- 前記第二の金属化合物は、Mnを除く一種以上の遷移金属元素を含む請求項4記載の複合酸化物の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の複合酸化物の製造方法における原料混合物調製工程の前に、少なくとも二種の金属を含む水溶液をアルカリ性にして沈殿物を得る前駆体合成工程を行い、該原料混合物調製工程にて該沈殿物を含む前記金属化合物原料を使用する複合酸化物の製造方法。
- 前記溶融塩原料は、硝酸リチウムに対する水酸化リチウムの割合(水酸化リチウム/硝酸リチウム)がモル比で0.2以上0.7以下である請求項1〜6のいずれかに記載の複合酸化物の製造方法。
- 前記原料混合物は、前記溶融塩原料に含まれるリチウム金属に対する前記金属化合物原料に含まれる金属の割合(金属化合物原料の金属/溶融塩原料のリチウム金属)がモル比で0.01以上0.2以下である請求項1〜7のいずれかに記載の複合酸化物の製造方法。
- 前記溶融反応工程は、酸素含有雰囲気中で行う請求項1〜8のいずれかに記載の複合酸化物の製造方法。
- 前記溶融塩原料は、過酸化リチウムを含まない請求項1〜9のいずれかに記載の複合酸化物の製造方法。
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