JP5515063B2 - Lithium manganese composite oxide, method for producing the same, and lithium battery - Google Patents

Lithium manganese composite oxide, method for producing the same, and lithium battery Download PDF

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Description

本発明は、リチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法、並びに該リチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池に関する。   The present invention relates to a lithium manganese composite oxide, a method for producing the same, and a lithium battery using the lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material.

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

このような電池への適用において重要な点は、充放電に際しての電池の安全性である。例えば、リチウムイオン二次電池に適用されている立方晶系スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn)は、他の電極材料(リチウムコバルト複合酸化物等)と比べて、安価なマンガンを主成分としており、かつ充電状態での安全性が格段に優れることがよく知られている。 An important point in application to such a battery is the safety of the battery during charging and discharging. For example, lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) having a cubic spinel structure applied to a lithium ion secondary battery is less expensive than other electrode materials (lithium cobalt composite oxide, etc.) It is well known that the main component is a stable manganese and the safety in a charged state is remarkably excellent.

しかしながら、このスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物は、結晶構造が不安定なことに起因し、放電終止電圧を2V程度にまで下げて充放電のサイクルを繰り返すと容量が急速に小さくなってしまう。また、50℃以上ではマンガンが電解液に溶解することに起因して特性が顕著に劣化するという問題点も有している。このため、この材料の使用は予期された程には進展していない。   However, the lithium manganese composite oxide having this spinel structure is caused by the unstable crystal structure, and the capacity rapidly decreases when the discharge end voltage is lowered to about 2 V and the charge / discharge cycle is repeated. End up. Further, when the temperature is 50 ° C. or higher, there is a problem that the characteristics are remarkably deteriorated due to the dissolution of manganese in the electrolytic solution. For this reason, the use of this material has not progressed as expected.

一方、結晶構造の特徴として、斜方晶系カルシウムフェライト(CaFe)型構造を有するアルカリマンガン複合酸化物(NaMn、LiMn)が、高温高圧合成法によって作製可能であることが既に報告されている(特許文献1、非特許文献1,2参照) On the other hand, as a feature of the crystal structure, an alkali manganese composite oxide (NaMn 2 O 4 , LiMn 2 O 4 ) having an orthorhombic calcium ferrite (CaFe 2 O 4 ) type structure can be produced by a high-temperature and high-pressure synthesis method. It has already been reported (see Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2)

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

ところが、特許文献1、非特許文献1,2のカルシウムフェライト型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物は、リチウム挿入反応を殆ど起こさず、挿入可能なリチウム量は化学式当たり0.1以下であることから、電極材料としての使用には適さないことが明らかになった(非特許文献2参照)。   However, the lithium manganese composite oxide having the calcium ferrite type structure of Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 hardly causes a lithium insertion reaction, and the amount of lithium that can be inserted is 0.1 or less per chemical formula. It was revealed that it is not suitable for use as an electrode material (see Non-Patent Document 2).

そこで、最近になり、LiMn(0.5≦x≦0.9)なるリチウム欠損型の組成式で表され、結晶構造としてカルシウムフェライト型構造を有し、a軸方向に長周期性を有するリチウムマンガン複合酸化物が提案されている(特許文献2参照)。このリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池は、高容量であり、かつ、リチウムの可逆的な挿入・脱離反応が可能である。 Therefore, recently, Li x Mn 2 O 4 (0.5 ≦ x ≦ 0.9) is represented by a lithium-deficient composition formula, which has a calcium ferrite structure as a crystal structure and is long in the a-axis direction. A lithium manganese composite oxide having periodicity has been proposed (see Patent Document 2). A lithium battery using this lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material has a high capacity and is capable of reversible lithium insertion / extraction reaction.

しかしながら、このリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池は、高容量である反面、平均放電電位が低いという問題があった。このため、実用化に向けて、平均放電電位がより向上したカルシウムフェライト型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物が望まれていた。   However, a lithium battery using this lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material has a problem of having a low average discharge potential while having a high capacity. For this reason, a lithium manganese composite oxide having a calcium ferrite type structure with an improved average discharge potential has been desired for practical use.

特開2007−112674号公報JP 2007-112673 A 特開2008−198553号公報JP 2008-198553 A

J. Akimoto, J. Awaka, N. Kijima, Y. Takahashi, Y. Maruta, K. Tokiwa, T. Watanabe, J. Solid State Chem., 179, 169−174(2006)J. et al. Akimoto, J. et al. Awaka, N.A. Kijima, Y. et al. Takahashi, Y. et al. Maruta, K.M. Tokiwa, T .; Watanabe, J.A. Solid State Chem. , 179, 169-174 (2006) K. Yamaura, Q. Huang, L. Zhang, K. Takada, Y. Baba, T. Nagai, Y. Matsui, K. Kosuda, E. Takayama−Muromachi, J. Am. Chem. Soc., 128, 9448−9456(2006)K. Yamaura, Q. Huang, L.H. Zhang, K.K. Takada, Y .; Baba, T.A. Nagai, Y .; Matsui, K .; Kosuda, E .; Takayama-Muromachi, J. et al. Am. Chem. Soc. , 128, 9448-9456 (2006)

したがって本発明は、このような従来の課題を解決するため、カルシウムフェライト型構造を有し、かつ、平均放電電位が向上したリチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法、並びに該リチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池を提供することを目的とする。   Therefore, in order to solve such a conventional problem, the present invention provides a lithium manganese composite oxide having a calcium ferrite structure and an improved average discharge potential, a method for producing the same, and the lithium manganese composite oxide. An object is to provide a lithium battery used as a positive electrode active material.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、カルシウムフェライト型構造を有するLiMnのマンガンサイトの一部又は全部をTi、Ni等の遷移金属元素で置換することにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のとおりである。 The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, it was found that the above problems can be solved by substituting part or all of manganese sites of LiMn 2 O 4 having a calcium ferrite type structure with a transition metal element such as Ti and Ni, and the present invention has been completed. It was. More specifically, the present invention is as follows.

(1) 組成式LiMn2−z(Mは、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.3≦x≦1.1、0<z≦2.0である。)で表され、結晶構造としてカルシウムフェライト型構造を有することを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物。 (1) the composition formula Li x M z Mn 2-z O 4 (M is, Ti, V, Cr, Fe , Co, Ni, Cu, Zn, Al, and at least one selected from the group consisting of Mg Element, 0.3 ≦ x ≦ 1.1, and 0 <z ≦ 2.0.) And having a calcium ferrite structure as a crystal structure.

(2) 上記MがTi及びNiからなる群から選択される少なくとも1種の元素である上記(1)記載のリチウムマンガン複合酸化物。   (2) The lithium manganese composite oxide according to (1), wherein M is at least one element selected from the group consisting of Ti and Ni.

(3) ナトリウム又はナトリウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の金属又はその酸化物とを含有する混合物を、1万〜10万気圧の高圧条件下、800〜1500℃で加熱し、得られた化合物に含まれるナトリウムをイオン交換処理によってリチウムに置換することを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。   (3) At least one metal selected from the group consisting of sodium or a sodium compound, manganese or a manganese compound, and Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, and Mg, or oxidation thereof The lithium containing the product is heated at 800 to 1500 ° C. under high pressure conditions of 10,000 to 100,000 atm, and sodium contained in the obtained compound is replaced with lithium by ion exchange treatment. Manufacturing method of manganese composite oxide.

(4) 上記(1)又は(2)記載のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたことを特徴とするリチウム電池。   (4) A lithium battery using the lithium manganese composite oxide according to (1) or (2) as a positive electrode active material.

本発明によれば、カルシウムフェライト型構造を有し、かつ、平均放電電位が向上したリチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法、並びに該リチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池を提供することができる。   According to the present invention, a lithium manganese composite oxide having a calcium ferrite structure and an improved average discharge potential, a method for producing the same, and a lithium battery using the lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material are provided. can do.

リチウム電池の一例(コイン型二次電池)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example (coin-type secondary battery) of a lithium battery. 実施例1のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the lithium battery which used the lithium manganese complex oxide of Example 1 as a positive electrode active material. 実施例2のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the lithium battery which used the lithium manganese complex oxide of Example 2 as a positive electrode active material. 実施例3のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the lithium battery which used the lithium manganese complex oxide of Example 3 as a positive electrode active material. 実施例4のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム電池の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the lithium battery which used the lithium manganese complex oxide of Example 4 as a positive electrode active material.

<リチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法>
本発明に係るリチウムマンガン複合酸化物は、組成式LiMn2−z(Mは、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.3≦x≦1.1、0<z≦2.0である。)で表され、結晶構造としてカルシウムフェライト型構造を有することを特徴とするものである。
このリチウムマンガン複合酸化物は、従来公知のカルシウムフェライト型構造を有するLiMnのマンガンサイトの一部又は全部を遷移金属元素で置換したものである。このようにLiMnのマンガンサイトの一部又は全部を遷移金属元素で置換することにより、リチウムマンガン複合酸化物をリチウム電池の正極活物質として使用した場合の平均放電電位を向上させることができる。
<Lithium manganese composite oxide and method for producing the same>
Lithium-manganese composite oxide according to the present invention, the composition formula Li x M z Mn 2-z O 4 (M is, Ti, V, Cr, Fe , Co, Ni, Cu, Zn, a group consisting of Al, and Mg At least one element selected from the group consisting of 0.3 ≦ x ≦ 1.1 and 0 <z ≦ 2.0.) And having a calcium ferrite structure as a crystal structure To do.
This lithium manganese composite oxide is obtained by substituting part or all of the manganese site of LiMn 2 O 4 having a conventionally known calcium ferrite type structure with a transition metal element. Thus, by replacing part or all of the manganese site of LiMn 2 O 4 with a transition metal element, the average discharge potential when the lithium manganese composite oxide is used as a positive electrode active material of a lithium battery can be improved. it can.

本発明に係るリチウムマンガン複合酸化物は、例えば、ナトリウム又はナトリウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の金属(以下、「遷移金属」という。)又はその酸化物(以下、「遷移金属酸化物」という。)とを含有する混合物を、1万〜10万気圧の高圧条件下、800〜1500℃で加熱し、得られた化合物に含まれるナトリウムをイオン交換処理によってリチウムに置換することにより製造することができる(イオン交換合成法)。
また、リチウム又はリチウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、遷移金属又は遷移金属酸化物とを含有する混合物を、1万〜10万気圧の高圧条件下、800〜1500℃で加熱することによっても、本発明に係るリチウムマンガン複合酸化物を製造することができる(高圧合成法)。
The lithium manganese composite oxide according to the present invention is selected from the group consisting of, for example, sodium or sodium compound, manganese or manganese compound, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, and Mg A mixture containing at least one kind of metal (hereinafter referred to as “transition metal”) or an oxide thereof (hereinafter referred to as “transition metal oxide”) under high pressure conditions of 10,000 to 100,000 atm. It can be manufactured by heating at 800 to 1500 ° C. and replacing sodium contained in the obtained compound with lithium by ion exchange treatment (ion exchange synthesis method).
Further, by heating a mixture containing lithium or a lithium compound, manganese or a manganese compound, and a transition metal or a transition metal oxide at 800 to 1500 ° C. under a high pressure condition of 10,000 to 100,000 atmospheres, The lithium manganese composite oxide according to the present invention can be produced (high pressure synthesis method).

以下、本発明に係るリチウムマンガン複合酸化物の製造方法についてさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the method for producing a lithium manganese composite oxide according to the present invention will be described in more detail.

(イオン交換合成法によるリチウムマンガン複合酸化物の合成)
イオン交換合成法では、まず、ナトリウム又はナトリウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、遷移金属又は遷移金属酸化物とを混合する。
(Synthesis of lithium manganese composite oxide by ion exchange synthesis method)
In the ion exchange synthesis method, first, sodium or a sodium compound, manganese or a manganese compound, and a transition metal or a transition metal oxide are mixed.

ナトリウム化合物としては、特に制限されないが、NaO、Na等の酸化物、NaCO、NaNO等の塩類、NaOH等の水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特にNa等が好ましい。 The sodium compound is not particularly limited, and examples thereof include oxides such as Na 2 O and Na 2 O 2 , salts such as Na 2 CO 3 and NaNO 3 , and hydroxides such as NaOH. Among these, Na 2 O 2 and the like are particularly preferable.

マンガン化合物としては、特に制限されないが、Mn、Mn、MnO等の酸化物、MnCO、MnCl等の塩類、Mn(OH)等の水酸化物、MnOOH等の酸化水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特にMn、Mn、MnO等が好ましい。 The manganese compound is not particularly limited, Mn 3 O 4, Mn 2 O 3, MnO oxides such 2, etc. MnCO 3, MnCl 2 salts, Mn (OH) hydroxide 2 or the like, such as MnOOH An oxide hydroxide etc. are mentioned. Among these, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , MnO 2 and the like are particularly preferable.

遷移金属酸化物としては、特に制限されないが、Ti、TiO、V、VO、Cr、Fe、Co、NiO、CuO、ZnO、Al、MgO等が挙げられる。 The transition metal oxide is not particularly limited, Ti 2 O 3, TiO 2 , V 2 O 3, VO 2, Cr 2 O 3, Fe 2 O 3, Co 3 O 4, NiO, CuO, ZnO, Al 2 O 3 , MgO and the like.

ナトリウム又はナトリウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、遷移金属又は遷移金属酸化物との混合割合は、カルシウムフェライト型構造が得られる割合であればよい。具体的には、NaMn2−z(Mは、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素)の組成式となるように混合すればよい。 The mixing ratio of sodium or a sodium compound, manganese or a manganese compound, and a transition metal or a transition metal oxide should just be a ratio from which a calcium ferrite type structure is obtained. Specifically, Na x M z Mn 2- z O 4 (M is, Ti, V, Cr, Fe , Co, Ni, Cu, Zn, Al, and at least one selected from the group consisting of Mg It is sufficient to mix so as to satisfy the composition formula of (element).

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

次いで、混合物を高温・高圧条件下で焼成することにより、組成式NaMn2−zで表される化合物を得る。
焼成温度は、混合物の組成等に応じて適宜設定することができるが、通常は800〜1500℃程度、好ましくは1000〜1400℃である。特に、MがTiである場合には1000〜1300℃が好ましく、MがNiである場合には1000〜1100℃が好ましい。
また、焼成圧力は、1万〜10万気圧、好ましくは3万〜8万気圧、より好ましくは4万〜5万気圧である。焼成時間は、焼成温度等に応じて適宜変更することができる。例えば、焼成温度が1000〜1100℃の場合、好ましくは1〜3時間である。冷却方法は特に限定されないが、通常は自然放冷(急冷)又は徐冷である。
焼成後は、必要に応じて焼成物を公知の方法で粉砕すればよい。
Next, the mixture is baked under high temperature and high pressure conditions to obtain a compound represented by the composition formula Na x M z Mn 2 -z O 4 .
Although a calcination temperature can be suitably set according to the composition of a mixture, etc., it is about 800-1500 degreeC normally, Preferably it is 1000-1400 degreeC. In particular, when M is Ti, 1000 to 1300 ° C is preferable, and when M is Ni, 1000 to 1100 ° C is preferable.
The firing pressure is 10,000 to 100,000 atm, preferably 30,000 to 80,000 atm, and more preferably 40,000 to 50,000 atm. The firing time can be appropriately changed according to the firing temperature and the like. For example, when the firing temperature is 1000 to 1100 ° C., it is preferably 1 to 3 hours. The cooling method is not particularly limited, but is usually natural cooling (rapid cooling) or slow cooling.
After firing, the fired product may be pulverized by a known method as necessary.

次いで、組成式NaMn2−zで表される化合物に、リチウム化合物を含む溶融塩中でイオン交換処理を施すことにより、カルシウムフェライト型の結晶構造を有し、かつ、ナトリウムがリチウムに置換された組成式LiMn2−zで表される化合物が得られる。 Then, the compound represented by the composition formula Na x M z Mn 2-z O 4, by performing the ion exchange process in a molten salt containing a lithium compound, having a crystal structure of the calcium ferrite type, and sodium There compound represented by the composition formula Li x M z Mn 2-z O 4 substituted lithium is obtained.

この際、リチウム化合物を含む溶融塩中において、粉砕されたNaMn2−zを分散させながらイオン交換処理を施すことが好適である。溶融塩としては、硝酸リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム等の低温で溶融する塩類を1種以上含むものを用いることができる。リチウム化合物とNaMn2−zの粉末とは、よく混合しておくことが好ましい。混合比は、通常、溶融塩中のLi/NaMn2−z中のNaのモル比で2〜40、好ましくは10〜30である。 At this time, it is preferable to perform the ion exchange treatment while dispersing the pulverized Na x M z Mn 2 -z O 4 in the molten salt containing the lithium compound. As the molten salt, one containing at least one salt that melts at a low temperature such as lithium nitrate, lithium chloride, lithium bromide, or lithium iodide can be used. The lithium compound and the Na x M z Mn 2 -z O 4 powder are preferably mixed well. The mixing ratio is usually 2 to 40 at a molar ratio of Na in Li / Na x M z Mn 2 -z O 4 in the molten salt, it is preferably 10 to 30.

イオン交換の温度は、250℃〜450℃、好ましくは270〜360℃である。イオン交換の温度が250℃よりも低い場合は、十分にリチウムに置換することが困難である。一方、イオン交換温度が450℃よりも高い場合は、一部がスピネル構造に変化するために、均一な結晶構造を得ることができない。処理時間としては、通常1〜30時間、好ましくは5〜15時間である。   The ion exchange temperature is 250 to 450 ° C, preferably 270 to 360 ° C. When the ion exchange temperature is lower than 250 ° C., it is difficult to sufficiently substitute lithium. On the other hand, when the ion exchange temperature is higher than 450 ° C., a part of the ion exchange temperature changes to a spinel structure, so that a uniform crystal structure cannot be obtained. The treatment time is usually 1 to 30 hours, preferably 5 to 15 hours.

なお、イオン交換処理の方法としては、リチウム化合物を溶解した有機溶剤又は水溶液中で処理する方法も用いることができる。この場合、リチウム化合物を溶解させた有機溶剤中に、粉砕されたNaMn2−zを投入し、その有機溶剤の沸点以下の温度で処理する。イオン交換速度を高めるため、有機溶剤の沸点付近で、溶媒を還流させながら、イオン交換することが好ましい。イオン交換の温度は、通常100〜200℃、好ましくは140〜180℃である。処理時間は特に制限されないが、低温であると反応時間が必要であることから、通常5〜50時間、好ましくは10〜20時間である。 In addition, as a method of ion exchange treatment, a method of treating in an organic solvent or an aqueous solution in which a lithium compound is dissolved can also be used. In this case, an organic solvent obtained by dissolving lithium compound, a Na x M z Mn 2-z O 4 , which is ground up, is at a temperature below the boiling point of the organic solvent. In order to increase the ion exchange rate, it is preferable to perform ion exchange while refluxing the solvent near the boiling point of the organic solvent. The ion exchange temperature is usually 100 to 200 ° C, preferably 140 to 180 ° C. The treatment time is not particularly limited, but it is usually 5 to 50 hours, preferably 10 to 20 hours, because a reaction time is required at low temperatures.

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

有機溶剤又は水溶液中におけるリチウム化合物の濃度は、通常3〜10モル%、好ましくは4〜6モル%である。有機溶剤又は水溶液中でのNaMn2−zの分散濃度は、特に制限されないが、操作性及び経済性の観点から1〜20重量%が好ましい。 The density | concentration of the lithium compound in an organic solvent or aqueous solution is 3-10 mol% normally, Preferably it is 4-6 mol%. Dispersion concentration of Na x M z Mn 2-z O 4 in an organic solvent or aqueous solution is not particularly limited, is preferably 1 to 20 wt% from the viewpoint of operability and economy.

イオン交換処理の後、得られた生成物を蒸留水でよく洗浄した後、メタノール、エタノール等で洗浄し、乾燥させることによって、目的とする組成式LiMn2−zで表される化合物が得られる。洗浄方法、乾燥方法については、特に制限されず、通常の方法が用いられるほか、デシケータ内における自然乾燥でもよい。 After the ion exchange treatment, the resulting product is thoroughly washed with distilled water, then washed with methanol, ethanol, etc., and dried to obtain the target composition formula Li x M z Mn 2-z O 4 . Is obtained. The washing method and the drying method are not particularly limited, and a normal method may be used, or natural drying in a desiccator may be used.

なお、イオン交換処理の条件によっては、完全にリチウムに置換されず、微量のナトリウムが残存することがある。   Depending on the conditions of the ion exchange treatment, the lithium may not be completely replaced and a trace amount of sodium may remain.

(高圧合成法によるリチウムマンガン複合酸化物の合成)
高圧合成法では、まず、リチウム又はリチウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、遷移金属又は遷移金属酸化物とを混合する。
(Synthesis of lithium manganese composite oxide by high pressure synthesis method)
In the high-pressure synthesis method, lithium or a lithium compound, manganese or a manganese compound, and a transition metal or a transition metal oxide are first mixed.

リチウム化合物としては、特に制限されないが、LiO、Li等の酸化物、LiCO、LiNO等の塩類、LiOH等の水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特にLiO等が好ましい。 The lithium compound is not particularly limited, and examples thereof include oxides such as Li 2 O and Li 2 O 2 , salts such as Li 2 CO 3 and LiNO 3 , and hydroxides such as LiOH. Among these, Li 2 O and the like are particularly preferable.

マンガン化合物及び遷移金属酸化物としては、イオン交換合成法の場合と同様の化合物が挙げられる。   Examples of the manganese compound and the transition metal oxide include the same compounds as those used in the ion exchange synthesis method.

リチウム又はリチウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、遷移金属又は遷移金属酸化物との混合割合は、カルシウムフェライト型構造が得られる割合であればよい。具体的には、LiMn2−z(Mは、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素)の組成式となるように混合すればよい。 The mixing ratio of lithium or a lithium compound, manganese or a manganese compound, and a transition metal or a transition metal oxide may be a ratio at which a calcium ferrite structure is obtained. Specifically, Li x M z Mn 2- z O 4 (M is, Ti, V, Cr, Fe , Co, Ni, Cu, Zn, Al, and at least one selected from the group consisting of Mg It is sufficient to mix so as to satisfy the composition formula of (element).

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

次いで、混合物を高温・高圧条件下で焼成することにより、組成式LiMn2−zで表される化合物を得る。
焼成温度は、混合物の組成等に応じて適宜設定することができるが、通常は800〜1500℃程度、好ましくは1000〜1400℃である。また、焼成圧力は、1万〜10万気圧、好ましくは3万〜8万気圧、より好ましくは4万〜5万気圧である。焼成時間は、焼成温度等に応じて適宜変更することができる。例えば、焼成温度が1050〜1300℃の場合、好ましくは1〜3時間である。冷却方法は特に限定されないが、通常は自然放冷(急冷)又は徐冷である。
焼成後は、必要に応じて焼成物を公知の方法で粉砕すればよい。
Next, the mixture is baked under high temperature and high pressure conditions to obtain a compound represented by the composition formula Li x M z Mn 2 -z O 4 .
Although a calcination temperature can be suitably set according to the composition of a mixture, etc., it is about 800-1500 degreeC normally, Preferably it is 1000-1400 degreeC. The firing pressure is 10,000 to 100,000 atm, preferably 30,000 to 80,000 atm, and more preferably 40,000 to 50,000 atm. The firing time can be appropriately changed according to the firing temperature and the like. For example, when the firing temperature is 1050 to 1300 ° C., it is preferably 1 to 3 hours. The cooling method is not particularly limited, but is usually natural cooling (rapid cooling) or slow cooling.
After firing, the fired product may be pulverized by a known method as necessary.

<リチウム電池>
本発明に係るリチウム電池は、本発明に係るリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたものである。本発明に係るリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いる以外は、公知のリチウム電池(コイン型、ボタン型、円筒型、全固体型等)の電池要素をそのまま採用することができる。
<Lithium battery>
The lithium battery according to the present invention uses the lithium manganese composite oxide according to the present invention as a positive electrode active material. Except for using the lithium manganese composite oxide according to the present invention as the positive electrode active material, battery elements of known lithium batteries (coin type, button type, cylindrical type, all solid type, etc.) can be employed as they are.

一例として、本発明に係るリチウム電池をコイン型二次電池に適用した場合の模式図を図1に示す。図1に示すように、コイン型二次電池1は、正極2と、負極3と、セパレータ4と、負極端子5と、絶縁パッキング6と、正極缶7とを備える。   As an example, FIG. 1 shows a schematic diagram when the lithium battery according to the present invention is applied to a coin-type secondary battery. As shown in FIG. 1, the coin-type secondary battery 1 includes a positive electrode 2, a negative electrode 3, a separator 4, a negative electrode terminal 5, an insulating packing 6, and a positive electrode can 7.

正極2は、本発明に係るリチウムマンガン複合酸化物に、必要に応じて導電剤、結着剤等を配合して電極合材を調製し、これを集電体に圧着することにより作製される。集電体としてはステンレスメッシュ、アルミメッシュ、アルミ箔等を用いることができる。導電剤としてはアセチレンブラック、ケッチェンブラック等を用いることができる。結着剤としてはテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等を用いることができる。   The positive electrode 2 is prepared by blending a lithium manganese composite oxide according to the present invention with a conductive agent, a binder or the like as necessary to prepare an electrode mixture, and pressure bonding this to a current collector. . As the current collector, stainless steel mesh, aluminum mesh, aluminum foil or the like can be used. As the conductive agent, acetylene black, ketjen black, or the like can be used. As the binder, tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or the like can be used.

電極合材におけるリチウムマンガン複合酸化物、導電剤、結着剤等の配合は特に限定されないが、通常は導電剤を1〜30質量%程度(好ましくは5〜25質量%)、結着剤を0〜30質量%(好ましくは3〜10質量%)とし、残部をリチウムマンガン複合酸化物となるようにすればよい。   The composition of the lithium manganese composite oxide, the conductive agent, the binder, etc. in the electrode mixture is not particularly limited. Usually, the conductive agent is about 1-30% by mass (preferably 5-25% by mass), and the binder is used. The content may be 0 to 30% by mass (preferably 3 to 10% by mass), and the balance may be a lithium manganese composite oxide.

負極3としては、金属リチウム、リチウム合金等のリチウムを吸蔵している公知のものを採用することができる。   As the negative electrode 3, a known material that occludes lithium, such as lithium metal or lithium alloy, can be used.

セパレータ4、負極端子5、絶縁パッキング6、正極缶7としては、それぞれ公知のものを採用することができる。
また、電解液としても公知のものを採用することができる。例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム等の電解質を、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の溶媒に溶解させたものを採用することができる。
As the separator 4, the negative electrode terminal 5, the insulating packing 6, and the positive electrode can 7, known ones can be employed.
Moreover, a well-known thing can be employ | adopted also as electrolyte solution. For example, an electrolyte such as lithium perchlorate or lithium hexafluorophosphate dissolved in a solvent such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), propylene carbonate (PC), or diethyl carbonate (DEC) Can be adopted.

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the scope of the present invention is not limited to these examples.

<リチウムマンガン複合酸化物の調製>
[実施例1]
純度97%以上のNa粉末、純度99.9%以上のMnO、Mnの粉末、及び純度99.9%以上のTi粉末をモル比で1:1.8:0.2の割合で、アルゴンガス置換されたグローブボックス中で均一に混合した。混合物を金カプセル中に詰め、キュービックアンビル型高圧合成装置を使用して4.5万気圧、1200℃の温度圧力条件下で5時間保持することにより、NaTi0.2Mn1.8を得た。
<Preparation of lithium manganese composite oxide>
[Example 1]
Purity of 97% or more of Na 2 O 2 powder, 99.9% purity or more MnO 2, Mn 2 O 3 powder, and the Ti 2 O 3 powder having a purity of 99.9% at a molar ratio of 1: 1.8 The mixture was uniformly mixed in a glove box purged with argon gas at a ratio of 0.2. By filling the mixture in a gold capsule and holding it at 45,000 atm and 1200 ° C. for 5 hours using a cubic anvil type high pressure synthesizer, NaTi 0.2 Mn 1.8 O 4 is obtained. Obtained.

次に、NaTi0.2Mn1.8粉体試料を、質量比で試料の約60倍量のLiNO(純度99%以上)と混合し、アルミナ製るつぼに入れ、空気中360℃で10時間加熱処理を行うことにより、イオン交換処理を行った。イオン交換処理後、純水で洗浄し、乾燥させた。 Next, the NaTi 0.2 Mn 1.8 O 4 powder sample is mixed with LiNO 3 (purity 99% or more) of about 60 times the sample by mass ratio, placed in an alumina crucible, and 360 ° C. in air. The ion exchange treatment was performed by performing the heat treatment for 10 hours. After the ion exchange treatment, it was washed with pure water and dried.

得られた化合物について、ICP発光分析法(パーキンエルマージャパン製、商品名Optima3000)により化学組成を分析したところ、Li0.94Ti0.18Mn1.82の組成式であることが確認された。また、粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により結晶構造を分析したところ、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造であることが明らかとなった。また、結晶構造解析の結果、格子定数は以下の値であった。
a=0.872953nm
b=0.283829nm
c=1.053373nm
When the chemical composition of the obtained compound was analyzed by ICP emission analysis (trade name Optima 3000, manufactured by PerkinElmer Japan), it was confirmed that it was a composition formula of Li 0.94 Ti 0.18 Mn 1.82 O 4. It was done. Further, when the crystal structure was analyzed by a powder X-ray diffractometer (trade name RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku), it became clear that the crystal structure of the orthorhombic system and space group Pnma had good crystallinity. It was. As a result of the crystal structure analysis, the lattice constant was as follows.
a = 0.872953 nm
b = 0.283829 nm
c = 1.053373 nm

[実施例2]
純度97%以上のNa粉末、純度99.9%以上のMnO、Mnの粉末、及び純度99.9%以上のTi粉末をモル比で1:1.6:0.4の割合で、アルゴンガス置換されたグローブボックス中で均一に混合した。混合物を金カプセル中に詰め、キュービックアンビル型高圧合成装置を使用して4.5万気圧、1200℃の温度圧力条件下で5時間保持することにより、NaTi0.4Mn1.6を得た。
[Example 2]
Purity of 97% or more of Na 2 O 2 powder, 99.9% purity or more MnO 2, Mn 2 O 3 powder, and the Ti 2 O 3 powder having a purity of 99.9% at a molar ratio of 1: 1.6 The mixture was uniformly mixed in a glove box purged with argon gas at a ratio of 0.4. By filling the mixture in a gold capsule and holding it at 45,000 atm and 1200 ° C. for 5 hours using a cubic anvil type high pressure synthesizer, NaTi 0.4 Mn 1.6 O 4 is obtained. Obtained.

次に、NaTi0.4Mn1.6粉体試料を、質量比で試料の約60倍量のLiNO(純度99%以上)と混合し、アルミナ製るつぼに入れ、空気中360℃で10時間加熱処理を行うことにより、イオン交換処理を行った。イオン交換処理後、純水で洗浄し、乾燥させることにより、LiTi0.4Mn1.6を得た。 Next, the NaTi 0.4 Mn 1.6 O 4 powder sample was mixed with about 60 times the amount of LiNO 3 (purity 99% or more) by mass ratio, placed in an alumina crucible, and 360 ° C. in air. The ion exchange treatment was performed by performing the heat treatment for 10 hours. After the ion exchange treatment, LiTi 0.4 Mn 1.6 O 4 was obtained by washing with pure water and drying.

得られた化合物について、粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により結晶構造を分析したところ、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造であることが明らかとなった。また、結晶構造解析の結果、格子定数は以下の値であった。
a=0.869015nm
b=0.284224nm
c=1.030214nm
[実施例3]
純度97%以上のNa粉末、純度99.9%以上のMnO、Mnの粉末、及び純度99.9%以上のTi粉末をモル比で1:1:1の割合で、アルゴンガス置換されたグローブボックス中で均一に混合した。混合物を金カプセル中に詰め、キュービックアンビル型高圧合成装置を使用して4.5万気圧、1200℃の温度圧力条件下で5時間保持することにより、NaTiMnOを得た。
The obtained compound was analyzed by a powder X-ray diffractometer (trade name RINT-UtimaIII, manufactured by Rigaku Corporation). As a result, the crystal structure of the orthorhombic system and the space group Pnma had good crystallinity. Became clear. As a result of the crystal structure analysis, the lattice constant was as follows.
a = 0.869015 nm
b = 0.284224 nm
c = 1.030214 nm
[Example 3]
Purity of 97% or more of Na 2 O 2 powder, 99.9% purity or more MnO 2, Mn 2 O 3 powder, and the Ti 2 O 3 powder having a purity of 99.9% at a molar ratio of 1: 1: 1 The mixture was uniformly mixed in a glove box purged with argon gas. NaTiMnO 4 was obtained by filling the mixture in a gold capsule and holding it at 45,000 atm and 1200 ° C. for 5 hours using a cubic anvil type high pressure synthesizer.

次に、NaTiMnO粉体試料を、質量比で試料の約60倍量のLiNO(純度99%以上)と混合し、アルミナ製るつぼに入れ、空気中360℃で10時間加熱処理を行うことにより、イオン交換処理を行った。イオン交換処理後、純水で洗浄し、乾燥させた。 Next, the NaTiMnO 4 powder sample is mixed with LiNO 3 (purity 99% or more) of about 60 times the sample by mass ratio, placed in an alumina crucible, and heated in air at 360 ° C. for 10 hours. Thus, ion exchange treatment was performed. After the ion exchange treatment, it was washed with pure water and dried.

得られた化合物について、ICP発光分析法(パーキンエルマージャパン製、商品名Optima3000)により化学組成を分析したところ、Li1.06Ti0.96Mn1.04の組成式であることが確認された。また、粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により結晶構造を分析したところ、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造であることが明らかとなった。また、結晶構造解析の結果、格子定数は以下の値であった。
a=0.8828nm
b=0.289941nm
c=1.0771nm
When the chemical composition of the obtained compound was analyzed by ICP emission analysis (trade name Optima 3000, manufactured by PerkinElmer Japan), it was confirmed that it was a composition formula of Li 1.06 Ti 0.96 Mn 1.04 O 4. It was done. Further, when the crystal structure was analyzed by a powder X-ray diffractometer (trade name RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku), it became clear that the crystal structure of the orthorhombic system and space group Pnma had good crystallinity. It was. As a result of the crystal structure analysis, the lattice constant was as follows.
a = 0.8828nm
b = 0.289941 nm
c = 1.0771 nm

[実施例4]
純度97%以上のNa粉末、純度99.9%以上のMnO、Mnの粉末、及び純度99.9%以上のNiO粉末をモル比で1:1.8:0.2の割合で、アルゴンガス置換されたグローブボックス中で均一に混合した。混合物を金カプセル中に詰め、キュービックアンビル型高圧合成装置を使用して4.5万気圧、1200℃の温度圧力条件下で5時間保持することにより、NaNi0.2Mn1.8を得た。
[Example 4]
Purity of 97% or more of Na 2 O 2 powder, powder of a purity of 99.9% or more of MnO 2, Mn 2 O 3, and a purity of 99.9% or higher NiO powder in a molar ratio of 1: 1.8: 0. The mixture was uniformly mixed in a glove box purged with argon gas at a ratio of 2. By filling the mixture in a gold capsule and holding it at 45,000 atm and 1200 ° C. for 5 hours using a cubic anvil type high pressure synthesizer, NaNi 0.2 Mn 1.8 O 4 is obtained. Obtained.

次に、NaNi0.2Mn1.8粉体試料を、質量比で試料の約60倍量のLiNO(純度99%以上)と混合し、アルミナ製るつぼに入れ、空気中360℃で10時間加熱処理を行うことにより、イオン交換処理を行った。イオン交換処理後、純水で洗浄し、乾燥させることにより、LiNi0.2Mn1.8を得た。 Next, the NaNi 0.2 Mn 1.8 O 4 powder sample was mixed with about 60 times the amount of LiNO 3 (purity 99% or more) by mass ratio, placed in an alumina crucible, and 360 ° C. in air. The ion exchange treatment was performed by performing the heat treatment for 10 hours. After the ion exchange treatment, LiNi 0.2 Mn 1.8 O 4 was obtained by washing with pure water and drying.

得られた化合物について、粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により結晶構造を分析したところ、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造であることが明らかとなった。また、結晶構造解析の結果、格子定数は以下の値であった。
a=0.86922nm
b=0.283405nm
c=1.045681nm
The obtained compound was analyzed by a powder X-ray diffractometer (trade name RINT-UtimaIII, manufactured by Rigaku Corporation). As a result, the crystal structure of the orthorhombic system and the space group Pnma had good crystallinity. Became clear. As a result of the crystal structure analysis, the lattice constant was as follows.
a = 0.86922 nm
b = 0.283405 nm
c = 1.456568 nm

[比較例1]
純度97%以上のNa粉末、及び純度99.9%以上のMnO、Mnの粉末をモル比で1:2の割合で、アルゴンガス置換されたグローブボックス中で均一に混合した。混合物を金カプセル中に詰め、キュービックアンビル型高圧合成装置を使用して4.5万気圧、1200℃の温度圧力条件下で5時間保持することにより、NaMnを得た。
[Comparative Example 1]
Purity of 97% or more of Na 2 O 2 powder, and the powder having a purity of 99.9% or more of MnO 2, Mn 2 O 3 in a molar ratio of 1: 2 ratio, uniformly in a glove box that argon gas replacement Mixed. NaMn 2 O 4 was obtained by filling the mixture in a gold capsule and holding it under a temperature and pressure condition of 45,000 atm and 1200 ° C. for 5 hours using a cubic anvil type high pressure synthesizer.

次に、NaMn粉体試料を、質量比で試料の約60倍量のLiNO(純度99%以上)と混合し、アルミナ製るつぼに入れ、空気中360℃で10時間加熱処理を行うことにより、イオン交換を行った。イオン交換後、純水で洗浄し、乾燥させた。 Next, the NaMn 2 O 4 powder sample is mixed with approximately 60 times the amount of LiNO 3 (purity 99% or more) by mass ratio, placed in an alumina crucible, and heated in air at 360 ° C. for 10 hours. By performing, ion exchange was performed. After ion exchange, it was washed with pure water and dried.

得られた化合物について、ICP発光分析法(パーキンエルマージャパン製、商品名Optima3000)により化学組成を分析したところ、Li0.81Mnの組成式であることが確認された。また、粉末X線回折装置(リガク製、商品名RINT−UltimaIII)により結晶構造を分析したところ、良好な結晶性を有する、斜方晶系、空間群Pnmaの結晶構造であることが明らかとなった。また、結晶構造解析から精密化された格子定数は以下の値であった。
a=0.87276nm(誤差±0.00003nm)
b=0.28333nm(誤差±0.00001nm)
c=1.05392nm(誤差±0.00004nm)
When the chemical composition of the obtained compound was analyzed by ICP emission analysis (trade name Optima 3000, manufactured by PerkinElmer Japan), it was confirmed to be a composition formula of Li 0.81 Mn 2 O 4 . Further, when the crystal structure was analyzed by a powder X-ray diffractometer (trade name RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku), it became clear that the crystal structure of the orthorhombic system and space group Pnma had good crystallinity. It was. Moreover, the lattice constant refined from the crystal structure analysis was the following value.
a = 0.87276 nm (error ± 0.00003 nm)
b = 0.28333 nm (error ± 0.00001 nm)
c = 1.05392 nm (error ± 0.00004 nm)

<リチウム電池の作製・評価>
このようにして得られた実施例1〜4、比較例1のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いて、図1に示す構造のリチウム電池(コイン型二次電池)を作製した。
正極は、リチウムマンガン複合酸化物と、導電剤であるアセチレンブラックと、結着剤であるテトラフルオロエチレンとを10:5:1の質量比となるように配合して電極合材を調製し、これを集電体であるアルミメッシュに圧着することにより作製した。負極としてはリチウム金属を用いた。また、電解液としては、六フッ化リン酸リチウムをエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(体積比1:1)に溶解させた1M溶液を用いた。
なお、電池の作製は、公知のセルの構成・組み立て方法に従って行った。
<Production and evaluation of lithium batteries>
Using the lithium manganese composite oxides of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 thus obtained as the positive electrode active material, lithium batteries (coin type secondary batteries) having the structure shown in FIG. 1 were produced.
The positive electrode is prepared by blending lithium manganese composite oxide, acetylene black as a conductive agent, and tetrafluoroethylene as a binder so as to have a mass ratio of 10: 5: 1, This was produced by pressure bonding to an aluminum mesh as a current collector. Lithium metal was used as the negative electrode. As the electrolytic solution, a 1M solution in which lithium hexafluorophosphate was dissolved in a mixed solvent (volume ratio 1: 1) of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was used.
The battery was produced according to a known cell configuration / assembly method.

作製した各リチウム電池について、25℃の温度条件下で、電流密度10mA/g、カットオフ電位4.8−1.0Vで充放電試験を10サイクル行った。
実施例1〜4のリチウムマンガン複合酸化物を用いたリチウム電池の充放電曲線をそれぞれ図2〜5に示す。なお、比較のため、図2〜5には比較例1のリチウムマンガン複合酸化物を用いたリチウム電池の初回充放電曲線についても併せて示す。
また、実施例1〜4、比較例1のリチウムマンガン複合酸化物を用いたリチウム電池の初回放電容量、平均放電電位、エネルギー密度を下記表1に示す。
About each produced lithium battery, 10 cycles of charging / discharging tests were performed by the current density of 10 mA / g and the cut-off potential of 4.8-1.0V on 25 degreeC temperature conditions.
The charge / discharge curves of the lithium batteries using the lithium manganese composite oxides of Examples 1 to 4 are shown in FIGS. For comparison, FIGS. 2 to 5 also show initial charge / discharge curves of a lithium battery using the lithium manganese composite oxide of Comparative Example 1. FIG.
Table 1 below shows the initial discharge capacity, average discharge potential, and energy density of lithium batteries using the lithium manganese composite oxides of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.

Figure 0005515063
Figure 0005515063

図2〜5から分かるように、LiMnのマンガンサイトの一部をTi,Niで置換することにより、LiMnの放電時に2.7V以下で観察された平坦部が消失し、滑らかな充放電特性を示すようになった。このことは、低電圧部及び高電圧部におけるリチウムの挿入・脱離反応に伴う相の変化が抑制されていることを示唆している。
また、図2〜5及び表1から分かるように、LiMnのマンガンサイトの一部をTi,Niで置換することにより、リチウム電池の平均放電電位が向上した。特に、Tiの場合には、置換割合が低いほどその効果は高かった。
As can be seen from FIGS. 2 to 5, by replacing a part of the manganese site of LiMn 2 O 4 with Ti and Ni, the flat portion observed at 2.7 V or less during the discharge of LiMn 2 O 4 disappears, Smooth charge / discharge characteristics are shown. This suggests that the phase change associated with the insertion / extraction reaction of lithium in the low voltage portion and the high voltage portion is suppressed.
Moreover, as can be seen from FIGS. 2 to 5 and Table 1, the average discharge potential of the lithium battery was improved by substituting some of the manganese sites of LiMn 2 O 4 with Ti and Ni. In particular, in the case of Ti, the effect was higher as the substitution ratio was lower.

1 コイン型二次電池、2 正極、3 負極、4 セパレータ、5 負極端子、6 絶縁パッキング、7 正極缶   1 coin-type secondary battery, 2 positive electrode, 3 negative electrode, 4 separator, 5 negative electrode terminal, 6 insulating packing, 7 positive electrode can

Claims (4)

組成式LiMn2−z(Mは、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.3≦x≦1.1、0<z≦2.0である。)で表され、結晶構造としてカルシウムフェライト型構造を有することを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物。 Composition formula Li x M z Mn 2-z O 4 (M is, Ti, V, Cr, Fe , Co, Ni, Cu, Zn, is at least one element selected from the group consisting of Al, and Mg 0.3 ≦ x ≦ 1.1 and 0 <z ≦ 2.0.), And having a calcium ferrite structure as a crystal structure. 前記MがTi及びNiからなる群から選択される少なくとも1種の元素である請求項1記載のリチウムマンガン複合酸化物。   The lithium manganese composite oxide according to claim 1, wherein M is at least one element selected from the group consisting of Ti and Ni. ナトリウム又はナトリウム化合物と、マンガン又はマンガン化合物と、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の金属又はその酸化物とを含有する混合物を、1万〜10万気圧の高圧条件下、800〜1500℃で加熱し、得られた化合物に含まれるナトリウムをイオン交換処理によってリチウムに置換することを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。   Sodium or a sodium compound, manganese or a manganese compound, and at least one metal selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, and Mg, or an oxide thereof. Lithium manganese composite oxidation characterized by heating a mixture containing the mixture at 800 to 1500 ° C. under high pressure conditions of 10,000 to 100,000 atm and replacing sodium contained in the obtained compound with lithium by ion exchange treatment Manufacturing method. 請求項1又は2記載のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたことを特徴とするリチウム電池。   A lithium battery comprising the lithium manganese composite oxide according to claim 1 or 2 as a positive electrode active material.
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