JP5447452B2 - リチウムイオン二次電池用正極活物質、その正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池及びリチウムマンガン銀複合酸化物の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質は、組成式:xLi2MnO3・(1―x)LiMeO2(0<x≦1、MeはNb、Al、Fe、F、Mg、Co、Ti、Ni及び3価のMnのうちから選ばれる少なくとも一つの金属)であらわされるリチウムマンガン複合酸化物のLi、4価のMn及びMeのうちの少なくとも一つの金属の一部がAgで置換されたリチウムマンガン銀複合酸化物を含む。またこのリチウムマンガン銀複合酸化物の一次粒子の平均粒径は10nm以上200nm以下である。
以下に、上記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、負極及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。
剤と、を含む。さらに、導電助剤を含んでもよい。
以下に、本発明のリチウムマンガン銀複合酸化物の製造方法の各工程を説明する。もちろん上記リチウムマンガン銀複合酸化物は本発明で記載の製造方法及び実施例の製造方法で製造されるものに限定されない。
(原料混合物調整工程)
Mn:Ag=95:5になるように、0.095molの二酸化マンガンMnO2(8.3g)と0.0025molの酸化銀Ag2O(0.58g)とを乳鉢を用いて混合し金属化合物原料とした。
上記原料混合物をるつぼにいれ、そのるつぼを真空乾燥器内で120℃の加熱真空下で12時間乾燥した。その後、真空乾燥器を大気圧に戻し、るつぼを取り出し、直ちにるつぼを電気炉に移した。空気で満たされた600℃の電気炉内で、るつぼを1時間加熱した。このときるつぼ内で、原料混合物は融解して溶融塩となり、溶融反応して茶色の反応生成物が沈殿した。
るつぼを電気炉から取り出して、室温にて冷却した。るつぼ内の反応生成物が十分に冷えて固体化した後、反応生成物をるつぼごとビーカー内へ移し、約200mLのイオン交換水に浸した。その後ビーカー内のイオン交換水をスターラーで攪拌した。ここで反応生成物は水に不溶性であるため、イオン交換水はこげ茶色の懸濁液となった。こげ茶色の懸濁液を濾過し、濾紙上の茶色の固体の濾物と透明な濾液とを得た。
(前駆体合成工程)
0.26molのMn(NO3)2・6H2O(74.59g)と0.12molのNi(NO3)2・6H2O(34.88g)と0.02molのAgNO3(3.40g)とを300mlの蒸留水に溶解させて金属塩含有水溶液を作製した。
0.2molの水酸化リチウムLiOH・H2O(8.4g)と合成したMn:Ni:Ag=0.65:0.30:0.05の金属酸化物前駆体1.0gを加えて混合し原料混合物とした。
上記原料混合物をるつぼにいれて、るつぼを真空乾燥器内で120℃の加熱真空下で12時間乾燥した。その後、真空乾燥器を大気圧に戻し、るつぼを取り出し、直ちにるつぼを電気炉に移した。空気で満たされた600℃の電気炉内で、るつぼを1時間、加熱した。このときるつぼ内の原料混合物は融解して溶融塩となり、溶融反応して黒茶色の反応生成物が沈殿した。
るつぼを電気炉から取り出して、室温にて冷却した。るつぼ内の反応生成物が十分に冷えて固体化した後、反応生成物をるつぼごとビーカー内へ移し、約200mLのイオン交換水に浸した。その後ビーカー内のイオン交換水をスターラーで攪拌した。ここで反応生成物は水に不溶性であるため、イオン交換水は黒色の懸濁液となった。黒色の懸濁液を濾過し、濾紙上の黒色の固体の濾物と透明な濾液とを得た。
原料混合物調整工程で酸化銀Ag2Oをいれずに、0.2molの水酸化リチウム一水和物LiOH・H2O(8.4g)と、0.010molのMnO2(8.3g)を加えて、混合した以外は実施例1と同様の処理を行った。ICP測定結果から、得られた生成物はLi2MnO3であることが確認された。
前駆体合成工程で硝酸銀AgNO3を入れずに0.26molのMn(NO3)2・6H2O(74.59g)と0.14molのNi(NO3)2・6H2O(40.70g)を300ml蒸留水に溶解させて金属塩含有水溶液を作製した以外は実施例2と同様の処理を行った。
実施例1及び実施例2で得られたリチウムマンガン銀複合酸化物について、透過電子顕微鏡(TEM)を用いて観察した。TEM像から、得られたリチウムマンガン銀複合酸化物はいずれも単結晶であることが観察された。
実施例1,実施例2、比較例1及び比較例2で得られた生成物をそれぞれ正極活物質として用い、リチウムイオン二次電池を作製した。
上記の各々の正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池について、25℃にて充放電試験を10サイクル行った。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、0.02Cの電流値まで4.6V一定電圧で充電を行った。放電は2.0Vまで0.2Cで行った。表2に10サイクル目の放電容量維持率(初回の放電容量に対する10サイクル目の放電容量の割合)を示した。
Claims (7)
- 組成式:xLi2MnO3・(1―x)LiMeO2(0<x≦1、MeはNb、Al、Fe、F、Mg、Co、Ti、Ni及び3価のMnのうちから選ばれる少なくとも一つの金属)であらわされるリチウムマンガン複合酸化物のLi、4価のMn及びMeのうちの少なくとも一つの金属の一部がAgで置換されたリチウムマンガン銀複合酸化物を含み、前記Agは、前記リチウムマンガン銀複合酸化物に0.01mol%〜1mol%含有され、該リチウムマンガン銀複合酸化物の一次粒子の平均粒径が10nm以上200nm以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 前記4価のMnの一部が前記Agで置換され、組成式:xLi2Mn1−yAgyO3・(1―x)LiMeO2(0<x≦1、MeはNb、Al、Fe、F、Mg、Co、Ti、Ni及び3価のMnのうちから選ばれる少なくとも一つの金属、0<y≦0.1)であらわされる請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質と、を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 組成式:xLi2MnO3・(1―x)LiMeO2(0<x≦1、MeはNb、Al、Fe、F、Mg、Co、Ti、Ni及び3価のMnのうちから選ばれる少なくとも一つの金属)であらわされるリチウムマンガン複合酸化物のLi、4価のMn及びMeのうちの少なくとも一つの金属の一部がAgで置換され、前記Agを0.01mol%〜1mol%含有するリチウムマンガン銀複合酸化物の製造方法であって、
Mnを必須とする一種以上の金属元素を含む酸化物、水酸化物及び金属塩から選ばれる一種以上の第一の金属化合物並びにAg金属単体あるいはAg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、金属塩及び金属合金から選ばれる一種以上の第二の金属化合物を少なくとも含む金属化合物原料と、水酸化リチウムを50質量%以上含む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前記溶融塩原料の融点以上で該原料混合物を反応させる溶融反応工程と、
前記溶融反応工程にて生成した前記リチウムマンガン銀複合酸化物を回収する回収工程と、
を経て前記リチウムマンガン銀複合酸化物を得ることを特徴とするリチウムマンガン銀複合酸化物の製造方法。 - 前記金属化合物原料は、さらに、Nb、Al、Fe、F、Mg、Co、Ti、Ni及び3価のMnのうちから選ばれる少なくとも一つの金属を含む酸化物、水酸化物及び金属塩から選ばれる一種以上の第三の金属化合物を含む請求項4に記載のリチウムマンガン銀複合酸化物の製造方法。
- 前記原料混合物調製工程の前に、Mn及び/またはAgを必須とした少なくとも二種の金属元素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前記金属化合物原料の少なくとも一部として該沈殿物を使用する請求項4に記載のリチウムマンガン銀複合酸化物の製造方法。
- 前記原料混合物調製工程の前に、Mn、Ag及び/または前記Meを必須とした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、該混合物調製工程にて前記金属化合物原料の少なくとも一部として該沈殿物を使用する請求項5に記載のリチウムマンガン銀複合酸化物の製造方法。
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