JP6014821B2 - リチウムマンガン複合酸化物、及びその炭素複合体 - Google Patents
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Description
項1. 組成式Li1+xMn1-xO2(-1/3<x<1/3)で表され、立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなる、リチウムマンガン複合酸化物。
項2. 上記項1に記載のリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料が互いに接合した複合体であって、
(1)炭素材料の量が、リチウムマンガン複合酸化物と炭素材料の合計量を基準として0.01〜30重量%であり、
(2)該複合体のタップ密度が、原料として用いたリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料の混合物のタップ密度と比較して30%以上大きい値であり、
(3)100mLビーカーに該複合体0.5gと水50mLを入れて、長さ3cm、中心部断面直径5mmの回転子を毎分200回転させて5 分間撹拌してもリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料との接合が剥離しないことにより定義される接合強度を有する、
ことを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物−炭素複合体。
項3. 炭素材料がアセチレンブラック、ケッチェンブラック又は気相成長炭素繊維である上記項2に記載の複合体。
項4. 酸化リチウム及び酸化マンガンを原料として、メカニカルミリング法により該原料を混合粉砕することを特徴とする、上記項1に記載のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
項5. 上記項1に記載のリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料の混合物を導電性を有する容器に充填し、非酸化性雰囲気下において、該混合物を加圧した状態で、直流パルス電流を通電して焼結させることを特徴とする、上記項2又は3に記載のリチウムマンガン複合酸化物−炭素複合体の製造方法。
項6. 上記項1に記載のリチウムマンガン複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極材料。
項7. 上記項2又は3に記載のリチウムマンガン複合酸化物−炭素複合体を含むリチウム二次電池用正極材料。
項8. 上記項6又は7に記載の正極材料を構成要素とするリチウムイオン二次電池。
本発明のリチウムマンガン複合酸化物は、組成式Li1+xMn1-xO2(-1/3<x<1/3)で表される立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなる複合酸化物である。上記組成式で表される立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなる複合酸化物は、従来知られていない新規な酸化物であり、リチウムイオン二次電池用正極材料とした場合に、優れた充放電性能を有する材料である。
の立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなるものであり、従来知られていない新規な酸化物である。
本発明では、上記した方法で得られる立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなるリチウムマンガン複合酸化物を、炭素材料との複合体とすることによって、導電性を向上させることができ、より優れた充放電性能、特に、高い放電容量を有する正極材料とすることができる。
上記した方法で得られるリチウムマンガン複合酸化物−炭素複合体は、上記した優れた充放電特性を有するリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料とが密接に接合したものであり、密度が高く、電子伝導性が向上した状態となる。このため該複合体をリチウムイオン二次電池用の正極材料として用いることによって、平均放電電圧が高く、放電容量が高く、充放電効率が良好なリチウムイオン二次電池を得ることができる。
2 試料
3 ダイ(導電性容器)
4、5 パンチ
6,7 パンチ電極
8 水冷真空チャンバー
9 冷却水路
10、16 水冷却機構
11 焼結用電源
12 制御装置
13 加圧機構
14 位置計測機構
15 雰囲気制御機構
17 温度計測装置
市販のLi2O及びMnO2をモル比1:1(原子比Li/Mn=2)で秤量し、これをアルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、伊藤製作所製振動カップミル(型式MC-4A)を用い、メカニカルミリング法により2時間処理した。
のみで解析できることが判った。また解析から得られたMn/(Li+Mn)比は、約0.337(4)であり、ほぼ初期の目的組成であるLi2MnO3の組成で表されるものであった。
正極:活物質10mg+AB5mg+PTFE0.5mgを混合しAlメッシュ上に圧着。
負極:金属リチウム。
電解液:LiPF6をEC+DMC溶媒中に溶解させたもの。
試験温度:30℃。
電流密度(活物質あたり):23mA/g
電位範囲:1.5-4.8V
上記した放電試験の結果、放電容量は約210mAh/g、平均放電電圧は約3.0Vであり、後述する比較例1に記載の立方晶岩塩型構造のみからなるチタン含有Li2MnO3の値(放電容量約120mAh/g、平均放電電圧約2.2V)、および比較例2に記載の単斜晶層状岩塩型構造を含むLi2MnO3の値(放電容量約100mAh/g、平均放電電圧約1.9V)に比べ優れた放電特性を示した。
実施例1で作製したLi2MnO3(平均粒径約7μm)をアセチレンブラック(AB)(平均一次粒子径約0.04μm)と重量比でLi2MnO3:AB=98:2となるよう混合し、これをジルコニア製ポットに入れ、遊星ボールミルにより200rpmで30分間混合した。これを内径15mmの黒鉛容器に充填し、通電焼結機SPS-3.20MK-IV(富士電波工機(株)製)のチャンバー内にセット後、チャンバー内を約20Pa程度まで減圧した。
のみで解析でき、Mn/(Li+Mn)比は約0.346(2)であり、通電焼結処理前とほぼ同程度であることから、分解等を起こさずに、Li2MnO3-C複合体を作製することが出来たことが確認できた。
市販のLi2O及びMnO2をモル比1.2:1(原子比Li/Mn=2.4)で秤量し、実施例1と同様にしてアルゴンガス雰囲気下でこれをジルコニア製ポットに入れ、メカニカルミリング法により2時間処理した。得られた試料のX線回折パターンは、図4に示す通り、Li2MnO3に帰属されるピークのみからなるものであり、1段のプロセスによりLi2MnO3単相が得られたことが確認できた。X線リートベルト解析から、この試料は立方晶岩塩型結晶相
のみで解析できることが分かった。また解析から得られるMn/(Li+Mn)比は約0.324(2)であり、ほぼ初期の目的組成であるLi2MnO3の組成で表されるものであった。
上記実施例3で作製したLi2MnO3(平均粒径約7μm)をアセチレンブラック(AB)(平均一次粒子径約0.04μm)と重量比でLi2MnO3:AB=98:2となるよう混合し、実施例2と同様の方法で400℃、5分間通電焼結処理を行った。
のみで解析でき、Mn/(Li+Mn)比は約0.345(2)であり、通電焼結処理前とほぼ同程度であった。また、実施例2と同じ方法で測定したタップ密度は約1.4g/cm3であり、通電処理前の値(約0.9g/cm3)に比べ40%以上増大しており、Li2MnO3とABが強固に接合していることが確認できた。更に、通電処理後の試料0.5gを水50mLとともに100mLビーカーに入れ、長さ3cm、中心部断面直径5mmの回転子を毎分200回転させて5分間攪拌し静置したところ、試料粉は全て沈殿し、炭素粉等の浮遊物は確認されなかった。このことから、上記した通電焼結処理により、Li2MnO3がアセチレンブラックと強固に接合していることが確認できた。以上により、上記方法により、分解等を起こさずに、Li2MnO3-C複合体を作製することが出来た。
市販のLi2O、MnO2、およびTiO2を、モル比1:0.5:0.5で秤量し、実施例1と同様に、アルゴンガス雰囲気下でこれをジルコニア製ポットに入れ、メカニカルミリング法により2時間処理した。得られた試料のX線回折パターンは、図6に示す通りであり、Li1+x(Mn1-yTiy)1-xO2帰属されるピークのみからなり、1段のプロセスにより、Li1+x(Mn1-yTiy)1-xO2単相が得られたことが確認できた。X線リートベルト解析から、この試料は立方晶岩塩型結晶相
のみで解析でき、その格子定数はa = 4.1087(5)Åであり、実施例1のLi2MnO3試料(a = 4.0712(5)Å)より増大していた。また解析から得られる(Mn+Ti)/(Li+Mn+Ti)比は、約0.312(3)であり、当初の目的であるTi含有Li2MnO3が作製できたことが確認できた。
LiOHおよびMnO2をモル比1:2で秤量し、これを混合後、通常の電気炉で700℃、3時間熱処理した。得られた試料は、図8に示す通り、単斜晶層状岩塩型構造の結晶相
と立方晶岩塩型構造の結晶相
に由来するピークが認められ、X線リートベルト解析から、両者の比率は約70:30であった。
このLi2MnO3を正極活物質として、実施例1と同一条件で充放電試験した時の充放電曲線を図9示す。放電容量は約100mAh/g、平均放電電圧は約1.9Vであり、実施例1及び2で得られた値に比べて低い値であった。
実施例1で作製したLi2MnO3をアセチレンブラック(AB)と重量比でLi2MnO3:AB=98:2となるよう混合した。この混合粉について、実施例2と同様にして測定したタップ密度は約0.9g/cm3であり、実施例2で作製した複合体の値(約1.4g/cm3)に比べて低かった。また、この混合粉0.5gを水50mLとともに100mLビーカーに入れ、長さ3cm、中心部断面直径5mmの回転子を毎分200回転させて5分間攪拌し静置したところ、試料粉は一部沈殿するものの、水中に浮遊する微粒の粉末が確認され、また水面には浮遊炭素粉が確認された。このことから、混合のみではLi2MnO3とABを強固に接合できないことが分かった。
Claims (7)
- 組成式Li 1+x Mn 1-x O 2 (-1/3<x<1/3)で表され、立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなるリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料が互いに接合した複合体であって、
(1)炭素材料の量が、リチウムマンガン複合酸化物と炭素材料の合計量を基準として0.01〜30重量%であり、
(2)該複合体のタップ密度が、原料として用いたリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料の混合物のタップ密度と比較して30%以上大きい値であり、
(3)100mLビーカーに該複合体0.5gと水50mLを入れて、長さ3cm、中心部断面直径5mmの回転子を毎分200回転させて5 分間撹拌してもリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料との接合が剥離しないことにより定義される接合強度を有する、
ことを特徴とするリチウムマンガン複合酸化物−炭素複合体。 - 炭素材料がアセチレンブラック、ケッチェンブラック又は気相成長炭素繊維である請求項1に記載の複合体。
- 酸化リチウム及び酸化マンガンを原料として、メカニカルミリング法により該原料を混合粉砕することを特徴とする、組成式Li 1+x Mn 1-x O 2 (-1/3<x<1/3)で表され、立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなるリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 組成式Li 1+x Mn 1-x O 2 (-1/3<x<1/3)で表され、立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなるリチウムマンガン複合酸化物と炭素材料の混合物を導電性を有する容器に充填し、非酸化性雰囲気下において、該混合物を加圧した状態で、直流パルス電流を通電して焼結させることを特徴とする、請求項1又は2に記載のリチウムマンガン複合酸化物−炭素複合体の製造方法。
- 組成式Li 1+x Mn 1-x O 2 (-1/3<x<1/3)で表され、立方晶岩塩型構造の結晶相のみからなるリチウムマンガン複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極材料。
- 請求項1又は2に記載のリチウムマンガン複合酸化物−炭素複合体を含むリチウム二次電池用正極材料。
- 請求項5又は6に記載の正極材料を構成要素とするリチウムイオン二次電池。
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