JP7128475B2 - リチウムマンガン系複合酸化物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
項1.一般式(1):
Li1+x[(FeyNi1-y)zMn1-z]1-xO2 (1)
[式中、x、y及びzは、0<x≦1/3、0≦y<1.0、0<z≦0.6を示す。]
で表され、
Liと、Fe、Ni及びMnの合計量との含有量比(Li/(Fe+Ni+Mn))が、モル比で1.55以下であり、且つ、
層状岩塩型構造の結晶相を含むリチウムマンガン系複合酸化物。
項2.層状岩塩型構造の結晶相のみからなる、項1に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項3.自発磁化(Ms)が0.0070emu/g以下(0.0070A・m2/kg以下)である、項1又は2に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項4.Oと、Fe、Ni及びMnの合計量との含有量比(O/(Fe+Ni+Mn))が、モル比で2.48以下である、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。
項5.z≦0.25であり、且つ、BET比表面積が12.0m2/g以下である、項1~4のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項6.組成式当たり全遷移金属量(gtotal)が0.700以上である、項5に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項7.Li層内遷移金属量平均値(gMLi)が0.010以上である、項5又は6に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項8.z>0.25であり、且つ、BET比表面積が16.0m2/g以下である、項1~4のいずれかに記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項9.組成式当たり全遷移金属量(gtotal)が0.740以上である、項8に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項10.Li層内遷移金属量平均値(gMLi)が0.025以上である、項8又は9に記載のリチウムマンガン系複合酸化物。
項11.項1~10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であって、
(1)マンガン化合物と、ニッケル化合物及び鉄化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物とを含む混合物を、アルカリ性として沈殿物を形成する工程、
(2)工程(1)で得られた沈殿物に湿式酸化処理を施して熟成させる工程、
(3)工程(2)で得られた熟成物を、リチウム化合物の共存下に加熱する工程、及び
(4)工程(3)で得られた混合物を、有機還元剤の存在下に不活性雰囲気下又は還元性雰囲気下で加熱する工程
をこの順に備える、製造方法。
項12.項1~10のいずれかに記載の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用正極材料。
項13.項12に記載のリチウムイオン二次電池用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系複合酸化物は、一般式(1):
一般式(1):
Li1+x[(FeyNi1-y)zMn1-z]1-xO2 (1)
[式中、x、y及びzは、0<x≦1/3、0≦y<1.0、0<z≦0.6を示す。]
で表され、
Liと、Fe、Ni及びMnの合計量との含有量比(Li/(Fe+Ni+Mn))が、モル比で1.55以下であり、且つ、
層状岩塩型構造の結晶相を含んでいる。
本発明のリチウムマンガン系複合酸化物は、通常の複合酸化物の合成法を用いて合成することができる。具体的には、共沈-焼成法、共沈-水熱-焼成法、固相反応法等により合成することが可能である。特に優れた充放電特性を有する複合酸化物を容易に製造できる観点から、共沈-焼成法を採用することが好ましい。
(1)マンガン化合物と、ニッケル化合物及び鉄化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物とを含む混合物を、アルカリ性として沈殿物を形成する工程、
(2)工程(1)で得られた沈殿物に湿式酸化処理を施して熟成させる工程、
(3)工程(2)で得られた熟成物を、リチウム化合物の共存下に、加熱する工程
(4)工程(3)で得られた混合物を、有機還元剤の存在下に不活性雰囲気下又は還元性雰囲気下で加熱する工程
をこの順に備える製造方法により、本発明のリチウムマンガン系複合酸化物を得ることができる。
工程(1)では、マンガン化合物と、ニッケル化合物及び鉄化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物とを含む混合物を、アルカリ性として沈殿物を形成する。具体的には、マンガン化合物と、ニッケル化合物及び鉄化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物とを含む混合物の溶液からアルカリ性として沈殿物を形成することが簡便である。
上記工程(1)で沈殿物(共沈物)を形成した後には、沈殿物(共沈物)を湿式酸化により熟成する。具体的には、工程(2)では、工程(1)で得られた沈殿物(共沈物)に湿式酸化処理を施して熟成させる。より詳細には、上記工程(1)で得られた沈殿物(共沈物)を含むアルカリ水溶液に、コンプレッサー、酸素ガス発生器等で、酸素を含む気体を吹き込んでバブリング処理することにより熟成させることができる。
次いで、工程(3)では、工程(2)で得られた熟成物を、リチウム化合物を含む原料化合物の共存下に、加熱する。具体的には、工程(2)で得られた熟成物と、リチウム化合物とを混合し、このようにして得られた原料化合物を含有する水溶液を、必要に応じてスラリーを形成した後に加熱(特に焼成)することが好ましい。
次いで、工程(4)では、工程(3)で得られた混合物を、有機還元剤の存在下に不活性雰囲気下又は還元性雰囲気下で加熱する。具体的には、工程(3)で得られた混合物と、有機還元剤とを混合し、不活性雰囲気下又は還元性雰囲気で加熱することが好ましい。
本発明の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。例えば、正極材料として、本発明のリチウムマンガン系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、黒鉛等)、ケイ素、酸化ケイ素、Si-SiO系材料、リチウムチタン酸化物等を使用し、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、ジエチルカーボネート等の1種以上からなる溶媒に過塩素酸リチウム、LiPF6等のリチウム塩を溶解させた溶液(有機電解液)、無機固体電解質(Li2S-P2S5系、Li2S-GeS2-P2S5系等)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ることができる。なお、本発明において、「リチウムイオン二次電池」とは、負極材料として金属リチウムを用いた「リチウム二次電池」も包含する概念である。また、本発明において、「リチウムイオン二次電池」とは、非水電解液を使用した「非水リチウムイオン二次電池」と固体電解質を使用した「全固体リチウムイオン二次電池」のいずれも包含する概念である。
試料合成、並びに構造及び組成評価
硝酸鉄(III)9水和物10.10g、硝酸ニッケル(II)6水和物7.27g、塩化マンガン(II)4水和物39.58g(全量0.25mol、Fe:Ni:Mnモル比1:1:8)を500mLの蒸留水に加え完全に溶解させて金属塩水溶液を得た。別のビーカーに水酸化ナトリウム50gを秤量し、蒸留水500mLを添加して撹拌しつつ溶解させて水酸化ナトリウム水溶液を作製した。この水酸化ナトリウム水溶液をチタン製ビーカーに入れ、+20℃に保たれた恒温槽内に静置した。次いでこの水酸化ナトリウム溶液に、上記金属塩水溶液を約3時間かけて徐々に滴下し、Fe-Ni-Mn沈殿物(共沈物)を形成させた。反応液が完全にアルカリ性になっていることを確認し、撹拌下に共沈物を含む反応液に、室温で2日間酸素を吹き込んで湿式酸化処理して、沈殿を熟成させた。
この最終生成物の実測(+)及び計算(実線)X線回折パターンを図1に示す。リートベルト解析プログラムRIETAN-FPによる解析結果より、すべてのピークは以下の表1に記載の格子定数で指数付けでき、単斜晶Li2MnO3の単位胞(C2/m)を有する結晶相(層状岩塩型結晶相)のみからなることがわかった。また、表2の構造内遷移金属イオン分布を確認すると、実施例1の試料は後述する炭素還元を行っていない同一の仕込み遷移金属組成を有する比較例1の試料と比較して、組成式あたりの全遷移金属量の値が高く、組成式当たりの遷移金属イオン量の高い試料が得られたことがわかった。また、Li単独層内遷移金属量平均値(平均値2)も比較例1と比較して高く、遷移金属分布の乱れた試料が得られたことがわかった。
化学分析(表3)より、リチウム以外の全金属量に対するFe、Ni含有量がそれぞれ仕込み量である10mol%と10mol%(y値0.50相当、z値0.20相当)を維持しており、後述の比較例1と比較してLi/(Fe+Ni+Mn)比、O/(Fe+Ni+Mn)比、比表面積が低減し、自発磁化値が増加していることから、目的の組成式Li1+x[(FeyNi1-y)zMn1-z]1-xO2を有するリチウムマンガン系複合酸化物が得られたことが明らかである。
図2及び表4の結果から、実施例1の試料は活性化後には280mAh/g近い放電容量を示し、比較例1の試料よりも高いのみならず、後述する炭素還元を行っていない比較例1の試料と比較して、活性化処理後9サイクル時の放電容量維持率が大きいことから、実施例1の試料は高容量と長期サイクル特性を兼ね備えた優れた正極材料であることが明らかである。
炭素還元時(酢酸リチウムを添加した後)の焼成温度を400℃とした以外は実施例1と同様に試料作製を行った。この最終生成物の実測(+)及び計算(実線)X線回折パターンを図3に示す。リートベルト解析プログラムRIETAN-FPによる解析結果より、すべてのピークは後述の表1にある格子定数で指数付けでき、単斜晶Li2MnO3の単位胞(C2/m)を有する結晶相(層状岩塩型結晶相)のみからなることがわかった。また、表2の構造内遷移金属イオン分布を確認すると、実施例2の試料は後述する炭素還元を行っていない同一の仕込み遷移金属組成を有する比較例1の試料と比較して、組成式あたりの全遷移金属量の値が高く、組成式当たりの遷移金属イオン量の高い試料が得られたことがわかった。また、Li単独層内遷移金属量平均値(平均値2)も比較例1と比較して高く、遷移金属分布の乱れた試料が得られたことがわかった。
窒素雰囲気下に850℃で焼成した後に、酢酸リチウム2水和物を用いた炭素還元を行わずに、同様の水洗処理、濾過及び乾燥を行った以外は実施例1と同様に、実施例1と同じロットで試料作製を行った。この最終生成物の実測(+)及び計算(実線)X線回折パターンを図5に示す。リートベルト解析プログラムRIETAN-FPによる解析結果より、すべてのピークは後述の表1にある格子定数で指数付けでき、実施例1及び2と同様に単斜晶Li2MnO3の単位胞(C2/m)を有する結晶相(層状岩塩型結晶相)のみからなることがわかった。また、表2の構造内遷移金属イオン分布を確認すると、比較例1の試料は後述する炭素還元を行った同一の仕込み遷移金属組成を有する実施例1及び2の試料と比較して、組成式あたりの全遷移金属量の値が低かった。また、Li単独層内遷移金属量平均値(平均値2)も実施例1及び2と比較して低かった。
硝酸鉄(III)9水和物15.15g、硝酸ニッケル(II)6水和物10.90g、塩化マンガン(II)4水和物34.63g(全量0.25 mol、Fe: Ni: Mnモル比15: 15: 70)を500 mLの蒸留水に加え完全に溶解させて金属塩水溶液を得た。この金属塩水溶液を使用した以外は実施例1と同様に試料作製を行った。この最終生成物の実測(+)及び計算(実線)X線回折パターンを図6に示す。リートベルト解析プログラムRIETAN-FPによる解析結果より、すべてのピークは後述の表1にある格子定数で指数付けでき、単斜晶Li2MnO3の単位胞(C2/m)を有する結晶相(層状岩塩型結晶相)のみからなることがわかった。また、表2の構造内遷移金属イオン分布を確認すると、実施例3の試料は後述する炭素還元を行っていない同一の仕込み遷移金属組成を有する比較例2の試料と比較して、組成式あたりの全遷移金属量の値が高く、組成式当たりの遷移金属イオン量の高い試料が得られたことがわかった。また、Li単独層内遷移金属量平均値(平均値2)も比較例2と比較して高く、遷移金属分布の乱れた試料が得られたことがわかった。
窒素雰囲気下に850℃で焼成した後に、酢酸リチウムを用いた炭素還元を行わずに、同様の水洗処理、濾過及び乾燥を行った以外は実施例3と同様に、実施例3と同じロットで試料作製を行った。この最終生成物の実測(+)及び計算(実線)X線回折パターンを図9に示す。リートベルト解析プログラムRIETAN-FPによる解析結果より、すべてのピークは後述の表1にある格子定数で指数付けでき、実施例3と同様に単斜晶Li2MnO3の単位胞(C2/m)を有する結晶相(層状岩塩型結晶相)のみからなることがわかった。また、表2の構造内遷移金属イオン分布を確認すると、比較例2の試料は後述する炭素還元を行った同一の仕込み遷移金属組成を有する実施例3の試料と比較して、組成式あたりの全遷移金属量の値が低かった。また、Li単独層内遷移金属量平均値(平均値2)も実施例3と比較して低かった。
有機還元剤として、酢酸リチウム2水和物6.38gではなくポリエチレングリコール(H(OCH2CH2)4OH)3.04gを使用した以外は実施例3と同様に試料作製を行った。この最終生成物の実測(+)及び計算(実線)X線回折パターンを図10に示す。リートベルト解析プログラムRIETAN-FPによる解析結果より、すべてのピークは後述の表1にある格子定数で指数付けでき、単斜晶Li2MnO3の単位胞(C2/m)を有する結晶相(層状岩塩型結晶相)のみからなることがわかった。また、表2の構造内遷移金属イオン分布を確認すると、実施例4の試料は後述する炭素還元を行っていない同一の仕込み遷移金属組成を有する比較例3の試料と比較して、組成式あたりの全遷移金属量の値が高く、組成式当たりの遷移金属イオン量の高い試料が得られたことがわかった。また、Li単独層内遷移金属量平均値(平均値2)も比較例3と比較して高く、遷移金属分布の乱れた試料が得られたことがわかった。
窒素雰囲気下に850℃で焼成した後に、ポリエチレングリコールを用いた炭素還元を行わずに、同様の水洗処理、濾過及び乾燥を行った以外は実施例4と同様に、実施例4と同じロットで試料作製を行った。この最終生成物の実測(+)及び計算(実線)X線回折パターンを図13に示す。リートベルト解析プログラムRIETAN-FPによる解析結果より、すべてのピークは後述の表1にある格子定数で指数付けでき、実施例4と同様に単斜晶Li2MnO3の単位胞(C2/m)を有する結晶相(層状岩塩型結晶相)のみからなることがわかった。また、表2の構造内遷移金属イオン分布を確認すると、比較例3の試料は後述する炭素還元を行った同一の仕込み遷移金属組成を有する実施例4の試料と比較して、組成式あたりの全遷移金属量の値が低かった。また、Li単独層内遷移金属量平均値(平均値2)も実施例4と比較して低かった。
X線回折による評価
実施例1~4及び比較例1~3で得た試料のX線回折パターンから、リートベルト解析プログラムRIETAN-FP(F. Izumi, K. Momma, "Three-Dimensional Visualization in Powder Diffraction", Solid State Phenomena, Vol. 130, pp. 15-20, 2007)による解析結果より、各試料の格子定数及び格子体積を評価した。結果を表1に示す。なお、表1において、a、b及びcは、それぞれ各軸の長さを示し、βは稜cとaとの間の角を示す。また、Vは格子体積を示す。
実施例1~4及び比較例1~3で得た試料について、ICP発光分析により、化学分析を行った。結果を表3に示す。
実施例1~4及び比較例1~3で得られた試料を正極材料として用いて、充放電試験を行った。具体的には、実施例1~4及び比較例1~3で得られた試料5 mgをアセチレンブラック5 mgとよく混合後、ポリテトラフルオロエチレン粉末0.5 mgを加えて結着させ、Alメッシュ上に圧着して正極を作製した。得られた正極を120℃で一晩真空乾燥後、グローブボックス内にて、リチウム二次電池を作製した。電解液はLiPF6をエチレンカーボネート(EC)及びジメチルカーボネート(DMC)の混合溶媒(体積比3: 7)に溶解させた溶液を使用し、負極は金属リチウムを用いた。
レート特性評価試験は活性化試料を得るための段階充電処理後、サイクル劣化試験に移行させた。試験は充電開始で行い、2.0-4.8Vの電位範囲、試験温度30℃、電流密度40mA/gで充電容量を80、120、160、200mAh/gの順に増加させてサイクルさせ、5サイクル目は4.8Vまで定電流-定電圧充電(4.8Vにおける電流終止は10mA/g)による活性化処理を行った。なお、段階充電活性化処理は本発明のリチウムマンガン系複合酸化物のレート特性評価には必須である。特に、Feを含む場合は必須プロセスである。次に、実施例3~4及び比較例2~3の試料について、活性化処理後、2.0-4.8Vで40mA/g、600mA/g、1200mA/g、2400mA/gの定電流放電(充電はすべて40mA/gで行う)にて評価を行うことにより、レート特性を評価した。結果を図8及び12並びに表6に示す。なお、図8においては、40mA/g、600mA/g、1200mA/gの各定電流放電を行った際の放電曲線を示している。
Claims (4)
- 一般式(1):
Li1+x[(FeyNi1-y)zMn1-z]1-xO2 (1)
[式中、x、y及びzは、0<x≦1/3、0≦y<1.0、0<z≦0.6を示す。]で表され、
Liと、Fe、Ni及びMnの合計量との含有量比(Li/(Fe+Ni+Mn))が、モル比で1.55以下であり、
Oと、Fe、Ni及びMnの合計量との含有量比(O/(Fe+Ni+Mn))が、モル比で2.20以上2.48以下であり、
単斜晶Li 2 MnO 3 の単位胞(C2/m)を有する層状岩塩型結晶相のみからなり、且つ、
自発磁化(Ms)が0.0197emu/g以上0.0260emu/g以下(0.0197A・m2/kg以上0.0260A・m2/kg以下)であり、
z>0.25であり、且つ、BET比表面積が16.0 m 2 /g以下であり、
組成式当たり全遷移金属量(g total )が0.740以上であり、
Li層内遷移金属量平均値(g MLi )が0.025以上である、
リチウムマンガン系複合酸化物。 - 請求項1に記載のリチウムマンガン系複合酸化物の製造方法であって、
(1)マンガン化合物と、ニッケル化合物及び鉄化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物とを含む混合物を、アルカリ性として沈殿物を形成する工程、
(2)工程(1)で得られた沈殿物に湿式酸化処理を施して熟成させる工程、
(3)工程(2)で得られた熟成物を、リチウム化合物の共存下に加熱する工程、及び
(4)工程(3)で得られた混合物を、有機還元剤の存在下に不活性雰囲気下又は還元性雰囲気下で加熱する工程
をこの順に備える、製造方法。 - 請求項1に記載の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用正極材料。
- 請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用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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