JP7193315B2 - Lithium-manganese composite oxide, lithium secondary battery, and method for producing lithium-manganese composite oxide - Google Patents

Lithium-manganese composite oxide, lithium secondary battery, and method for producing lithium-manganese composite oxide Download PDF

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Description

本明細書は、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム二次電池及びリチウムマンガン複合酸化物の製造方法を開示する。 The present specification discloses a lithium-manganese composite oxide, a lithium secondary battery, and a method for producing a lithium-manganese composite oxide.

一般的に、X線回折測定を行った際に空間群Fm-3m(岩塩型構造)に帰属される材料は、結晶構造中にリチウムイオンの通り道を持たないために正極材料として使用できないとされてきた。しかし、近年、リチウムを過剰に含む正極材料、例えば、遷移金属イオンのモル量(MTM)に対するリチウムイオンのモル量(MLi)の比をMLi/MTM>1.0とすることで、岩塩型の結晶構造の中をリチウムイオンが移動することが第一原理計算で示された(例えば非特許文献1など参照)。 In general, materials that belong to the space group Fm-3m (rock salt type structure) when subjected to X-ray diffraction measurement cannot be used as positive electrode materials because they do not have paths for lithium ions in the crystal structure. It's here. However, in recent years, a positive electrode material containing excessive lithium, for example, by setting the ratio of the molar amount (MLi) of lithium ions to the molar amount (MTM) of transition metal ions to MLi/MTM > 1.0, rock salt type First-principles calculations have shown that lithium ions move within the crystal structure (see, for example, Non-Patent Document 1).

このような岩塩型構造を有する複合酸化物としては、例えば、岩塩型構造を有するリチウムモリブデン複合酸化物が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この複合酸化物は、準安定相である岩塩型構造を有することにより、放電容量や放電容量の維持率が良好であるとしている。また、岩塩型構造を有するリチウムモリブデン鉄複合酸化物を活物質として含むリチウム二次電池が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この複合酸化物は、リチウムイオン電池の高容量化を図ることができるとしている。また、複合酸化物としては、岩塩型構造を有するLi1.3Nb0.3Me0.42(MeはFe,Mn及びV)及びLi1.2Ti0.4Mn0.42を電極に用いた場合について提案されている(例えば、非特許文献1など参照)。 As a composite oxide having such a rock salt structure, for example, a lithium molybdenum composite oxide having a rock salt structure has been proposed (see, for example, Patent Document 1). It is said that this composite oxide has a good discharge capacity and a good discharge capacity maintenance rate because it has a rock salt structure, which is a metastable phase. A lithium secondary battery containing a lithium molybdenum iron composite oxide having a rock salt structure as an active material has also been proposed (see, for example, Patent Document 2). This composite oxide is said to be capable of increasing the capacity of lithium-ion batteries. Further, as the composite oxide, a case where Li 1.3 Nb 0.3 Me 0.4 O 2 (Me is Fe, Mn and V) and Li 1.2 Ti 0.4 Mn 0.4 O 2 having a rock salt structure is proposed for the electrode. (For example, see Non-Patent Document 1, etc.).

特開2017-202954号公報JP 2017-202954 A 特開2017-33928号公報JP-A-2017-33928

AdvancedEnergyMaterials,4,1400478(2014)Advanced Energy Materials, 4, 1400478 (2014) NatureCommunications,7,13814(2016)Nature Communications, 7, 13814 (2016)

ところで、上述した文献では、岩塩型構造を有する複合酸化物をリチウム二次電池の活物質に用いることが検討されており、放電容量や容量維持率などが良好であるとされているが、まだ十分でなく、更なる改良が望まれていた。即ち、放電容量や耐久性をより高めることができる新規な複合酸化物が望まれていた。 By the way, in the above-mentioned literature, the use of a composite oxide having a rock salt structure as an active material for a lithium secondary battery is being studied, and it is said that the discharge capacity and the capacity retention rate are good, but it is still It was not sufficient, and further improvement was desired. That is, a novel composite oxide has been desired that can further increase the discharge capacity and durability.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、放電容量や耐久性をより高めることができるリチウムマンガン複合酸化物、リチウム二次電池及びリチウムマンガン複合酸化物の製造方法を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of such problems, and provides a lithium manganese composite oxide, a lithium secondary battery, and a method for producing a lithium manganese composite oxide that can further increase discharge capacity and durability. The main purpose is

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、リチウムマンガン複合酸化物において、岩塩型構造を有し、更に所定範囲のスピネル型構造を含むものとすると、放電容量や耐久性をより高めることができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above-described object, the present inventors have found that a lithium-manganese composite oxide having a rock salt structure and a spinel structure in a predetermined range has excellent discharge capacity and durability. can be further enhanced, and have completed the invention disclosed in this specification.

即ち、本明細書で開示するリチウムマンガン複合酸化物は、
リチウム二次電池の電極活物質に用いられるリチウムマンガン複合酸化物であって、
岩塩型構造とスピネル型構造とを含み前記スピネル型構造が5質量%以上35質量%以下の範囲で含まれるものである。
That is, the lithium-manganese composite oxide disclosed in the present specification is
A lithium manganese composite oxide used as an electrode active material for a lithium secondary battery,
It includes a rock salt type structure and a spinel type structure, and the spinel type structure is contained in the range of 5% by mass or more and 35% by mass or less.

本明細書で開示するリチウム二次電池は、
上述したリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として有する正極と、
負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
The lithium secondary battery disclosed herein is
a positive electrode having the lithium-manganese composite oxide described above as a positive electrode active material;
a negative electrode having a negative electrode active material;
an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
is provided.

本明細書で開示するリチウムマンガン複合酸化物の製造方法は、
リチウム二次電池の電極活物質に用いられるリチウムマンガン複合酸化物の製造方法であって、
800℃以上1100℃以下、6時間以上15時間以下の範囲で焼成することにより得られた基本組成式Li2MnO3のモル数M2と基本組成式LiMnO2のモル数M1とのモル比M2/M1が10/90を超え60/40未満の範囲となるよう原料を配合し、20時間以上40時間以下の範囲で混合粉砕することにより、岩塩型構造とスピネル型構造とを含み前記スピネル型構造が5質量%以上35質量%以下の範囲で含まれるよう調整する調整工程、
を含むものである。
The method for producing a lithium-manganese composite oxide disclosed herein comprises
A method for producing a lithium-manganese composite oxide used as an electrode active material for a lithium secondary battery, comprising:
A molar ratio M2/ between the number of moles M2 of basic composition formula Li 2 MnO 3 and the number of moles M1 of basic composition formula LiMnO 2 obtained by firing in the range of 800° C. to 1100° C. and 6 hours to 15 hours. Raw materials are blended so that M1 is in the range of more than 10/90 and less than 60/40, and mixed and pulverized in the range of 20 hours or more and 40 hours or less to obtain the spinel structure including the rock salt structure and the spinel structure. is adjusted to be contained in the range of 5% by mass or more and 35% by mass or less,
includes.

本開示では、放電容量や耐久性をより高めることができるリチウムマンガン複合酸化物、リチウム二次電池及びリチウムマンガン複合酸化物の製造方法を提供することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。一般的に、正極材料中に含まれるリチウムイオンのモル量が電池の最大容量となることから、原理的には、リチウム過剰組成で正極材料を作製し、過剰に含まれるリチウムを可逆的かつ繰り返し出し入れすることが正極材料の高容量化には重要である。空間群Fm-3m(岩塩型)のX線回折ピークを示し、リチウム過剰組成からなる酸化物は、遷移金属イオンだけでなく酸素の酸化還元反応を示すことが知られているものの、そのメカニズムは未だ不明であり、安定して充放電動作させることができていなかった。本開示では、スピネル型構造を複合化させることによって、岩塩型構造に帰属される正極材料が高容量を維持したまま安定に充放電動作することが可能となるものと推察される。この理由は、例えば、スピネル型構造は岩塩型構造よりも酸素欠陥組成を取りやすい性質があり、それが酸素の酸化還元反応を安定化すると考えられる。そして、スピネル型構造が5質量%以上では十分な複合化効果を得ることができ、35質量%以下では充放電活性な岩塩型構造の割合を確保することができ、放電容量がより大きくなるものと推察される。ここで、スピネル型構造の含有量は、X線回折測定結果により、空間群Fm-3m(岩塩型構造)とFd-3m(スピネル型構造)の2成分系の構造モデルに対してリートベルト解析を行い算出されたものとする。 The present disclosure can provide a lithium-manganese composite oxide, a lithium secondary battery, and a method for producing a lithium-manganese composite oxide that can further increase discharge capacity and durability. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. In general, the molar amount of lithium ions contained in the positive electrode material is the maximum capacity of the battery. Taking in and out is important for increasing the capacity of the positive electrode material. Exhibiting an X-ray diffraction peak in the space group Fm-3m (rock salt type), oxides composed of excess lithium are known to exhibit oxidation-reduction reactions of not only transition metal ions but also oxygen. It is still unclear, and it has not been possible to stably charge and discharge. In the present disclosure, it is presumed that by combining the spinel structure, the positive electrode material attributed to the rock salt structure can stably charge and discharge while maintaining a high capacity. The reason for this is, for example, that the spinel type structure tends to have an oxygen defect composition more than the rock salt type structure, and it is considered that this stabilizes the oxidation-reduction reaction of oxygen. When the spinel type structure is 5% by mass or more, a sufficient composite effect can be obtained, and when it is 35% by mass or less, the proportion of the active rock salt type structure can be secured, and the discharge capacity is further increased. It is speculated that Here, the content of the spinel structure is determined by the Rietveld analysis of the two-component structural model of the space groups Fm-3m (rock salt structure) and Fd-3m (spinel structure) based on the X-ray diffraction measurement results. shall be calculated by performing

リチウム二次電池20の構成の一例を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a lithium secondary battery 20; 実験例1の複合酸化物のX線回折測定結果。2 shows the result of X-ray diffraction measurement of the composite oxide of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の複合酸化物を電極に用いたセルの充放電曲線。Fig. 2 shows charge-discharge curves of a cell using the composite oxide of Experimental Example 1 as an electrode.

(リチウムマンガン複合酸化物)
本開示のリチウムマンガン複合酸化物は、リチウム二次電池の電極活物質に用いられるものである。このリチウムマンガン複合酸化物は、岩塩型構造とスピネル型構造とを含みスピネル型構造が5質量%以上35質量%以下の範囲で含まれるものである。スピネル構造をこの範囲で含むことによって、岩塩型構造に帰属される複合酸化物が高容量を維持したまま安定に充放電動作することが可能となる。このリチウムマンガン複合酸化物は、スピネル型構造を25質量%以下の範囲で含むことが好ましく、20質量%以下の範囲で含むことがより好ましい。また、リチウムマンガン複合酸化物は、スピネル型構造を10質量%以上の範囲で含むことが好ましく、12質量%以上で含むことがより好ましい。ここで、スピネル型構造の含有量は、X線回折測定結果により、空間群Fm-3m(岩塩型構造)とFd-3m(スピネル型構造)の2成分系の構造モデルに対してリートベルト解析を行い算出するものとする。
(lithium manganese composite oxide)
The lithium-manganese composite oxide of the present disclosure is used as an electrode active material for lithium secondary batteries. This lithium-manganese composite oxide includes a rock salt structure and a spinel structure, and contains the spinel structure in a range of 5% by mass or more and 35% by mass or less. By containing the spinel structure within this range, the composite oxide attributed to the rock salt structure can stably charge and discharge while maintaining a high capacity. The lithium-manganese composite oxide preferably contains a spinel structure in an amount of 25% by mass or less, more preferably 20% by mass or less. In addition, the lithium-manganese composite oxide preferably contains a spinel structure in an amount of 10% by mass or more, more preferably 12% by mass or more. Here, the content of the spinel structure is determined by the Rietveld analysis of the two-component structural model of the space groups Fm-3m (rock salt structure) and Fd-3m (spinel structure) based on the X-ray diffraction measurement results. shall be calculated by

本開示のリチウムマンガン複合酸化物において、基本組成式Li2MnO3のモル数M2と基本組成式LiMnO2のモル数M1とのモル比M2/M1が10/90を超え60/40未満の範囲であることが好ましい。M2/M1がこの範囲では、放電容量をより向上することができる。このモル比M2/M1は、20/80以上であることが好ましく、30/70以上であるものとしてもよい。また、モル比M2/M1は、50/50以下の範囲が好ましく、45/55以下の範囲としてもよい。 In the lithium-manganese composite oxide of the present disclosure, the molar ratio M2/M1 between the number of moles M2 of the basic composition formula Li 2 MnO 3 and the number of moles M1 of the basic composition formula LiMnO 2 is in the range of more than 10/90 and less than 60/40. is preferably When M2/M1 is within this range, the discharge capacity can be further improved. The molar ratio M2/M1 is preferably 20/80 or more, and may be 30/70 or more. Also, the molar ratio M2/M1 is preferably in the range of 50/50 or less, and may be in the range of 45/55 or less.

また、同様に、リチウムマンガン複合酸化物は、基本組成式Li(2+2x)/(2+x)Mn(2/(2+x))-yy2で表したときに、0.1<x<0.6であることが好ましい。xがこの範囲では、放電容量をより向上することができる。また、xは0.2以上であることが好ましく、0.3以上であるものとしてもよい。更にxは0.5以下であることが好ましく、0.45以下であるものとしてもよい。また、基本組成式において、MはTi、Al及びFeのうちいずれか1以上であるものとしてもよい。MをMnと置換することによって、容量維持率をより高めることができる。Mは、これらのうちTiであることが好ましい。このMは、上記基本組成式において、0≦y≦0.2であることが好ましい。yがこの範囲では、放電容量をより向上することができる。このMは、y≦0.1であることがより好ましい。 Similarly, the lithium-manganese composite oxide is represented by the basic composition formula Li (2+2x)/(2+x) Mn (2/(2+x))- y My O 2 , .1<x<0.6 is preferred. When x is within this range, the discharge capacity can be further improved. Also, x is preferably 0.2 or more, and may be 0.3 or more. Furthermore, x is preferably 0.5 or less, and may be 0.45 or less. In the basic composition formula, M may be one or more of Ti, Al and Fe. By replacing M with Mn, the capacity retention rate can be further increased. Of these, M is preferably Ti. This M preferably satisfies 0≦y≦0.2 in the above basic composition formula. When y is within this range, the discharge capacity can be further improved. More preferably, M satisfies y≦0.1.

(リチウムマンガン複合酸化物の製造方法)
本開示の製造方法は、リチウム二次電池の電極活物質に用いられる上述したリチウムマンガン複合酸化物の製造方法である。この製造方法は、例えば、複合酸化物の構造を調整する調整工程を含むものとしてもよい。また、この調整工程は。原料作製処理と混合粉砕処理とを含むものとしてもよい。この製造方法では、層状構造を有する複数種のリチウムマンガン酸化物を混合粉砕して岩塩型構造へ移行させる際に、原料の焼成温度や焼成時間、混合粉砕時間などを適宜調整することにより、スピネル型構造を所定の含有量の範囲で岩塩型構造の中に残存させる処理を行うものとしてもよい。この調整工程では、リチウムマンガン複合酸化物において、岩塩型構造とスピネル型構造とを含みスピネル型構造が5質量%以上35質量%以下の範囲で含まれるよう調整する。この製造方法において、スピネル構造の含有量や原料の配合比など、上記リチウムマンガン複合酸化物で説明した範囲を適宜採用することができる。
(Method for producing lithium-manganese composite oxide)
The production method of the present disclosure is a method for producing the aforementioned lithium-manganese composite oxide used as an electrode active material for lithium secondary batteries. This manufacturing method may include, for example, an adjustment step of adjusting the structure of the composite oxide. Also, this adjustment process is It may include the raw material preparation process and the mixed pulverization process. In this production method, when a plurality of types of lithium manganese oxides having a layered structure are mixed and pulverized to transition to a rock salt structure, the spinel is produced by appropriately adjusting the sintering temperature, sintering time, and mixing and pulverizing time of the raw materials. A treatment may be performed to allow the mold structure to remain in the rock salt structure within a predetermined content range. In this adjustment step, the lithium-manganese composite oxide is adjusted so that the spinel structure is included in the range of 5 mass % or more and 35 mass % or less, including the rock salt structure and the spinel structure. In this production method, the range described for the above lithium-manganese composite oxide, such as the content of the spinel structure and the compounding ratio of the raw materials, can be appropriately employed.

原料作製処理では、複数種のリチウムマンガン酸化物を焼成条件を調整しつつ作製する。この処理では、原料のリチウムマンガン酸化物として、Li2MnO3とLiMnO2とを作製する。この処理では、800℃以上1100℃以下、6時間以上15時間以下の範囲で焼成することにより原料のLi2MnO3を得る。Li2MnO3の層状構造の強度に応じてリチウムマンガン複合酸化物に含有するスピネル型構造を調節することができる。Li2MnO3は、例えば、水酸化リチウムと二酸化マンガンとを原料として作製することができる。なお、LiMnO2は、Li2MnO3とMnOとを等モルで配合し、不活性雰囲気中(例えばAr中)、900℃以上1100℃以下の範囲、6時間以上24時間以下の範囲で焼成することにより得ることができる。 In the raw material production process, multiple kinds of lithium manganese oxides are produced while adjusting the firing conditions. In this treatment, Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 are produced as the raw material lithium manganese oxide. In this treatment, the raw material Li 2 MnO 3 is obtained by firing at a temperature of 800° C. to 1100° C. for 6 hours to 15 hours. The spinel structure contained in the lithium-manganese composite oxide can be adjusted according to the strength of the layered structure of Li 2 MnO 3 . Li 2 MnO 3 can be produced, for example, using lithium hydroxide and manganese dioxide as raw materials. LiMnO 2 is prepared by mixing Li 2 MnO 3 and MnO in equimolar amounts, and firing in an inert atmosphere (for example, in Ar) at a temperature of 900° C. or higher and 1100° C. or lower for 6 hours or more and 24 hours or less. can be obtained by

混合粉砕処理では、上記作製したリチウムマンガン酸化物を所定比率で配合し、粉砕条件を調整しつつ混合粉砕する。この処理では、Li2MnO3のモル数M2とLiMnO2のモル数M1とのモル比M2/M1が10/90を超え60/40未満の範囲となるよう原料を配合する。混合粉砕処理では、基本組成式Li(2+2x)/(2+x)Mn(2/(2+x))-yy2(但し、0.2<x<0.6、MはTi、Al及びFeのうちいずれか1以上であり、0≦y≦0.2)となるよう原料を配合するものとしてもよい。また、この処理では、20時間以上40時間以下の範囲で混合粉砕するものとしてもよい。混合粉砕は、例えば、ボールミルや遊星ボールミルなどで行うことができ、特に遊星ボールミルで行うことが好ましい。遊星ボールミルにおいて、その回転数は、原料を収容する容積に応じて適宜設定すればよいが、例えば、400rpm以上1000rpm以下の範囲が好ましく、500rpm以上800rpm以下の範囲がより好ましく、550rpm以上650rpm以下の範囲がより好ましい。このような調整工程を行うことにより、上述したリチウムマンガン複合酸化物を作製することができる。 In the mixed pulverization treatment, the lithium manganese oxide prepared above is blended at a predetermined ratio, and mixed and pulverized while adjusting the pulverization conditions. In this treatment, the raw materials are blended so that the molar ratio M2/M1 between the number of moles M2 of Li 2 MnO 3 and the number of moles M1 of LiMnO 2 is in the range of more than 10/90 and less than 60/40. In the mixed pulverization process, the basic composition formula Li (2+2x)/(2+x) Mn (2/(2+x))- y My O 2 (where 0.2<x<0.6, M is one or more of Ti, Al and Fe, and the raw materials may be blended so that 0≤y≤0.2). Further, in this treatment, mixing and pulverization may be performed for 20 hours or more and 40 hours or less. Mixing pulverization can be performed by, for example, a ball mill or a planetary ball mill, and is preferably performed by a planetary ball mill. In the planetary ball mill, the number of revolutions may be appropriately set according to the volume of the raw material. A range is more preferred. By performing such an adjustment process, the lithium-manganese composite oxide described above can be produced.

(リチウム二次電池)
本開示のリチウム二次電池は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を負極と、正極と負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体とを備えている。このリチウム二次電池は、上述したリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として有する。
(lithium secondary battery)
A lithium secondary battery of the present disclosure includes a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material, and an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode to conduct lithium ions. This lithium secondary battery has the aforementioned lithium-manganese composite oxide as a positive electrode active material.

正極は、正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極に含まれる導電材は、正極の電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。正極に含まれる結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。正極活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。 The positive electrode is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, adding an appropriate solvent to make a paste-like positive electrode mixture, applying and drying it on the surface of a current collector, and optionally It may be formed by compression to increase its density. The conductive material contained in the positive electrode is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect the battery performance of the positive electrode. , carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.), or a mixture of two or more thereof can be used. Among these, carbon black and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoint of electronic conductivity and coatability. The binder contained in the positive electrode plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles. Alternatively, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used singly or as a mixture of two or more. Cellulose-based or styrene-butadiene rubber (SBR) aqueous dispersions, which are water-based binders, can also be used. Examples of solvents for dispersing the positive electrode active material, conductive material, and binder include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methylethylketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, and N,N-dimethylaminopropylamine. , ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. Alternatively, a dispersant, a thickener, or the like may be added to water, and the active material may be slurried with a latex such as SBR. As the thickening agent, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used singly or as a mixture of two or more. Application methods include, for example, roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, and bar coater, and any thickness and shape can be obtained using any of these methods. Current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, and conductive glass. The surface of which is treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can be used. For these, it is also possible to oxidize the surface. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and fiber group formations. The current collector used has a thickness of, for example, 1 to 500 μm.

負極は、負極活物質と集電体とを密着させて形成したものとしてもよいし、例えば負極活物質と結着材と必要に応じて導電材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。負極活物質としては、リチウム、リチウム合金、スズ化合物などの無機化合物、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素質材料、複数の元素を含む複合酸化物、導電性ポリマーなどが挙げられる。炭素質材料は、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などが挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が、金属リチウムに近い作動電位を有し、高い作動電圧での充放電が可能であり支持塩としてリチウム塩を使用した場合に自己放電を抑え、且つ充電時における不可逆容量を少なくできるため、好ましい。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。負極活物質としては、このうち、炭素質材料が安全性の面から見て好ましい。また、負極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ正極で例示したものを用いることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、正極と同様のものを用いることができる。 The negative electrode may be formed by adhering the negative electrode active material and the current collector. A negative electrode material having a shape may be coated on the surface of a current collector, dried, and optionally compressed to increase the electrode density. Examples of negative electrode active materials include inorganic compounds such as lithium, lithium alloys and tin compounds, carbonaceous materials capable of intercalating and deintercalating lithium ions, composite oxides containing multiple elements, and conductive polymers. Examples of carbonaceous materials include cokes, vitreous carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, and carbon fibers. Among them, graphites such as artificial graphite and natural graphite have an operating potential close to that of metallic lithium, can be charged and discharged at a high operating voltage, and suppress self-discharge when lithium salt is used as a supporting salt. Moreover, the irreversible capacity during charging can be reduced, which is preferable. Examples of composite oxides include lithium-titanium composite oxides and lithium-vanadium composite oxides. Among them, carbonaceous materials are preferable as the negative electrode active material from the viewpoint of safety. As the conductive material, binder, solvent, and the like used for the negative electrode, those exemplified for the positive electrode can be used. The current collector of the negative electrode includes copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, Al-Cd alloy, etc. For that purpose, for example, copper or the like whose surface is treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can also be used. For these, it is also possible to oxidize the surface. A current collector having the same shape as that of the positive electrode can be used.

イオン伝導媒体は、リチウムを含む支持塩と、非水系の溶媒とを含む非水系電解液としてもよい。非水系電解液の溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。 The ion-conducting medium may be a non-aqueous electrolytic solution containing a lithium-containing supporting salt and a non-aqueous solvent. Examples of the solvent for the non-aqueous electrolytic solution include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes, dioxolanes, and the like, and these can be used singly or in combination. Specifically, the carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t -chain carbonates such as butyl carbonate, di-i-propyl carbonate and t-butyl-i-propyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone, methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, Chain esters such as methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran; Dioxolanes such as sulfolanes, 1,3-dioxolane, methyldioxolane, and the like are included. Among these, a combination of cyclic carbonates and chain carbonates is preferred.

支持塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、非水系電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩を溶解する濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。 The supporting salt is, for example, LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 , LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiC ( CF3SO2 ) 3 , LiSbF6 , LiSiF6 , LiAlF4 , LiSCN , LiClO 4 , LiCl, LiF, LiBr, LiI, LiAlCl4 and the like. Among them, from the group consisting of inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 and LiClO4, and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN ( CF3SO2 ) 2 and LiC ( CF3SO2 ) 3 From the viewpoint of electrical properties, it is preferable to use one selected salt or a combination of two or more selected salts. The concentration of the supporting salt in the non-aqueous electrolytic solution is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. When the supporting electrolyte is dissolved in a concentration of 0.1 mol/L or more, a sufficient current density can be obtained, and when it is 5 mol/L or less, the electrolytic solution can be made more stable.

本開示のリチウム二次電池は、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、リチウム二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 The lithium secondary battery of the present disclosure may have a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the lithium secondary battery. Porous membranes are mentioned. These may be used alone, or may be used in combination.

本開示のリチウム二次電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、こうしたリチウム二次電池を複数直列に接続して電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図1は、本実施形態のリチウム二次電池20の一例を示す模式図である。このリチウム二次電池20は、集電体21に正極合材22を形成した正極シート23と、集電体24の表面に負極合材25を形成した負極シート26と、正極シート23と負極シート26との間に設けられたセパレータ28と、正極シート23と負極シート26との間を満たす非水系電解液29と、を備えている。このリチウム二次電池20では、正極シート23と負極シート26との間にセパレータ28を挟み、これらを捲回して円筒ケース32に挿入し、正極シート23に接続された正極端子34と負極シート26に接続された負極端子36とを配設して形成されている。正極合材22には、スピネル型構造が5質量%以上35質量%以下の範囲で含まれる岩塩型構造のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として含んでいる。 The shape of the lithium secondary battery of the present disclosure is not particularly limited, and examples include coin-shaped, button-shaped, sheet-shaped, laminated-type, cylindrical-shaped, flat-shaped, and square-shaped. Also, a plurality of such lithium secondary batteries may be connected in series and applied to a large-sized battery used in an electric vehicle or the like. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a lithium secondary battery 20 of this embodiment. This lithium secondary battery 20 includes a positive electrode sheet 23 having a positive electrode mixture 22 formed on a current collector 21, a negative electrode sheet 26 having a negative electrode mixture 25 formed on the surface of the current collector 24, a positive electrode sheet 23 and a negative electrode sheet. 26, and a non-aqueous electrolytic solution 29 filling between the positive electrode sheet 23 and the negative electrode sheet 26. In this lithium secondary battery 20, a separator 28 is sandwiched between a positive electrode sheet 23 and a negative electrode sheet 26, which are wound and inserted into a cylindrical case 32. A positive electrode terminal 34 and a negative electrode sheet 26 connected to the positive electrode sheet 23 are connected to and a negative electrode terminal 36 connected to . The positive electrode mixture 22 contains, as a positive electrode active material, a lithium-manganese composite oxide having a rock-salt structure and containing a spinel structure in a range of 5% by mass to 35% by mass.

以上詳述した本実施形態のリチウムマンガン複合酸化物及びその製造方法、リチウム二次電池では、放電容量や耐久性をより高めることができる。このような効果が得られる理由は、例えば、スピネル型構造を複合化させることによって、岩塩型構造に帰属される正極材料が高容量を維持したまま安定に充放電動作することが可能となるものと推察される。スピネル型構造は、岩塩型構造よりも酸素欠陥組成を取りやすい性質があり、それが酸素の酸化還元反応を安定化すると考えられる。そして、スピネル型構造が5質量%以上では十分な複合化効果を得ることができ、35質量%以下では充放電活性な岩塩型構造の割合を確保することができ、放電容量がより大きくなるものと推察される。 The lithium-manganese composite oxide, the method for producing the same, and the lithium secondary battery according to the present embodiment, which have been described in detail above, can further increase the discharge capacity and durability. The reason why such an effect is obtained is that, for example, by combining the spinel structure, the positive electrode material attributed to the rock salt structure can stably charge and discharge while maintaining a high capacity. It is speculated that The spinel type structure has a property of being more likely to have an oxygen defect composition than the rock salt type structure, and it is considered that this stabilizes the oxidation-reduction reaction of oxygen. When the spinel type structure is 5% by mass or more, a sufficient composite effect can be obtained, and when it is 35% by mass or less, the proportion of the active rock salt type structure can be secured, and the discharge capacity is further increased. It is speculated that

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

以下には、本開示のリチウムマンガン複合酸化物及びリチウム二次電池を具体的に作製した例を実験例として説明する。なお、実験例3~8が比較例に相当し、実験例1、2、9~13が実施例に相当する。 Experimental examples will be described below in which the lithium-manganese composite oxide and the lithium secondary battery of the present disclosure were specifically produced. Note that Experimental Examples 3 to 8 correspond to Comparative Examples, and Experimental Examples 1, 2, and 9 to 13 correspond to Examples.

(合成原料の作製)
水酸化リチウムと二酸化マンガンを2対1のモル比で混合し、アルゴン中1000℃で12時間焼成することによりLi2MnO3を合成した。得られたLi2MnO3とMnOを1対1のモル比で混合し、アルゴン中1000℃で12時間焼成することによりLiMnO2を合成した。
(Preparation of synthetic raw materials)
Li 2 MnO 3 was synthesized by mixing lithium hydroxide and manganese dioxide in a molar ratio of 2:1 and calcining the mixture at 1000° C. for 12 hours in argon. LiMnO 2 was synthesized by mixing the obtained Li 2 MnO 3 and MnO at a molar ratio of 1:1 and firing the mixture in argon at 1000° C. for 12 hours.

(実験例1)
上記方法で作製したLi2MnO3とLiMnO2とを用い、Li2MnO3のモル数M2とLiMnO2のモル数M1とのモル比M2/M1が30/70となるように調整し、且つこれらの酸化物の合計質量が20gとなるように秤量した。この秤量物を直径10mmのジルコニアボールが500g入った内容積500mLのジルコニア製ポットに投入した。このポットを遊星型ボールミル(FRITSCH社製pulverisette6)にセットし、公転回転数500rpmで30時間処理を行った。このようにしてLi1.13Mn0.872(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.3、y=0)を作製した。得られたものを実験例1のリチウムマンガン複合酸化物とした。
(Experimental example 1)
Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 prepared by the above method are used, and the molar ratio M2/M1 between the number of moles M2 of Li 2 MnO 3 and the number of moles M1 of LiMnO 2 is adjusted to 30/70, and These oxides were weighed so that the total mass was 20 g. This weighed material was put into a zirconia pot with an internal volume of 500 mL containing 500 g of zirconia balls with a diameter of 10 mm. This pot was set in a planetary ball mill (pulverisette 6 manufactured by FRITSCH), and the treatment was performed for 30 hours at a revolution speed of 500 rpm. Thus, Li1.13Mn0.87O2 (Li( 2 +2x)/(2+x) Mn[2/( 2 +x)]- yMyO2 , x =0.3, y=0) was prepared. The resulting product was used as the lithium-manganese composite oxide of Experimental Example 1.

(実験例2)
実験例1においてLi2MnO3を900℃で12時間焼成することにより合成し、遊星型ボールミルで公転回転数600rpmで25時間処理を行うことでLi1.13Mn0.872(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.3、y=0)を作製した。
(Experimental example 2)
In Experimental Example 1, Li 2 MnO 3 was synthesized by firing at 900° C. for 12 hours, and treated in a planetary ball mill at a revolution speed of 600 rpm for 25 hours to obtain Li 1.13 Mn 0.87 O 2 (Li (2+2x) /(2+x) Mn [2/(2+x)]-yM y O 2 (x=0.3, y=0) was prepared.

(実験例3)
実験例1においてLi2MnO3を850℃で8時間焼成することにより合成し、遊星型ボールミルで公転回転数600rpmで50時間処理を行うことでLi1.13Mn0.872(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.3、y=0)を作製した。
(Experimental example 3)
In Experimental Example 1, Li 2 MnO 3 was synthesized by firing at 850° C. for 8 hours, and treated in a planetary ball mill at a revolution speed of 600 rpm for 50 hours to obtain Li 1.13 Mn 0.87 O 2 (Li (2+2x) /(2+x) Mn [2/(2+x)]-yM y O 2 (x=0.3, y=0) was prepared.

(実験例4)
実験例1においてLi2MnO3を1000℃で12時間焼成することにより合成し、遊星型ボールミルで公転回転数500rpmで15時間処理を行うことでLi1.13Mn0.872(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.3、y=0)を作製した。
(Experimental example 4)
In Experimental Example 1, Li 2 MnO 3 was synthesized by firing at 1000° C. for 12 hours, and treated in a planetary ball mill at a revolution speed of 500 rpm for 15 hours to obtain Li 1.13 Mn 0.87 O 2 (Li (2+2x) /(2+x) Mn [2/(2+x)]-yM y O 2 (x=0.3, y=0) was prepared.

(実験例5)
実験例3と同じ条件でLi2MnO3の合成および遊星型ボールミル処理を行い、Li1.09Mn0.912(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のxx=0.2、y=0)を作製した。
(Experimental example 5)
Li 2 MnO 3 was synthesized and subjected to planetary ball mill treatment under the same conditions as in Experimental Example 3 to produce Li 1.09 Mn 0.91 O 2 (Li (2+2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)] xx=0.2, y=0 when expressed as -yM y O 2 ).

(実験例6)
実験例3と同じ条件でLi2MnO3の合成および遊星型ボールミル処理を行い、Li1.20Mn0.802(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.5、y=0)を作製した。
(Experimental example 6)
Synthesis of Li 2 MnO 3 and treatment with a planetary ball mill were carried out under the same conditions as in Experimental Example 3 to produce Li 1.20 Mn 0.80 O 2 (Li (2+2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)] -yM y O 2 (x=0.5, y=0) was prepared.

(実験例7)
実験例3と同じ条件でLi2MnO3の合成および遊星型ボールミル処理を行い、Li1.05Mn0.952(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.1、y=0)を作製した。
(Experimental example 7)
Li 2 MnO 3 was synthesized and subjected to planetary ball mill treatment under the same conditions as in Experimental Example 3 to obtain Li 1.05 Mn 0.95 O 2 (Li (2+2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)] -yM y O 2 (x=0.1, y=0) was prepared.

(実験例8)
実験例3と同じ条件でLi2MnO3の合成および遊星型ボールミル処理を行い、Li1.23Mn0.772(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.6、y=0)を作製した。
(Experimental example 8)
Synthesis of Li 2 MnO 3 and treatment with a planetary ball mill were carried out under the same conditions as in Experimental Example 3 to obtain Li 1.23 Mn 0.77 O 2 (Li (2+2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)] -yM y O 2 (x=0.6, y=0) was prepared.

(実験例9)
実験例1と同じ条件でLi2MnO3の合成および遊星型ボールミル処理を行い、Li1.09Mn0.912(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.2、y=0)を作製した。
(Experimental example 9)
Synthesis of Li 2 MnO 3 and treatment with a planetary ball mill were carried out under the same conditions as in Experimental Example 1 to produce Li 1.09 Mn 0.91 O 2 (Li (2+2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)] -yM y O 2 (x=0.2, y=0) was prepared.

(実験例10)
実験例1と同じ条件でLi2MnO3の合成および遊星型ボールミル処理を行い、Li1.20Mn0.802(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のx=0.5、y=0)を作製した。
(Experimental example 10)
Li 2 MnO 3 was synthesized and subjected to planetary ball mill treatment under the same conditions as in Experimental Example 1 to produce Li 1.20 Mn 0.80 O 2 (Li (2+2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)] -yM y O 2 (x=0.5, y=0) was prepared.

(実験例11)
実験例1と同じ条件でLi2MnO3を合成した。水酸化リチウムと二酸化チタンとを2対1のモル比で混合し、アルゴン中1000℃で12時間焼成することでLi2TiO3を合成した。Li2MnO3、LiMnO2、Li2TiO3を用い、Li2MnO3、LiMnO2、Li2TiO3のモル比が20/70/10となるように調整し、かつこれらの酸化物の合計質量が20gとなるように秤量した。実験例1と同じ条件で遊星型ボールミル処理を行うことでLi1.13Mn0.78Ti0.092(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のM=Ti、x=0.3、y=0.09)を作製した。
(Experimental example 11)
Li 2 MnO 3 was synthesized under the same conditions as in Experimental Example 1. Li 2 TiO 3 was synthesized by mixing lithium hydroxide and titanium dioxide in a molar ratio of 2:1 and firing the mixture at 1000° C. for 12 hours in argon. Li 2 MnO 3 , LiMnO 2 and Li 2 TiO 3 were used, and the molar ratio of Li 2 MnO 3 , LiMnO 2 and Li 2 TiO 3 was adjusted to 20/70/10. It was weighed so that the mass was 20 g. Li1.13Mn0.78Ti0.09O2 ( Li ( 2 +2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)]- y My M=Ti, x=0.3, y=0.09 when expressed in terms of O 2 ).

(実験例12)
水酸化リチウムと水酸化アルミニウムとを1対1のモル比で混合し、空気中750℃で12時間焼成することでLiAlO2を合成した。Li2MnO3、LiMnO2、LiAlO2を用い、Li2MnO3、LiMnO2、LiAlO2のモル比が30/60/10となるように調整し、かつこれらの酸化物の合計質量が20gとなるように秤量した。実験例1と同じ条件で遊星型ボールミル処理を行うことでLi1.13Mn0.78Al0.092(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のM=Al、x=0.3、y=0.09)を作製した。
(Experimental example 12)
LiAlO 2 was synthesized by mixing lithium hydroxide and aluminum hydroxide at a molar ratio of 1:1 and calcining the mixture at 750° C. in air for 12 hours. Li 2 MnO 3 , LiMnO 2 and LiAlO 2 were used, and the molar ratio of Li 2 MnO 3 , LiMnO 2 and LiAlO 2 was adjusted to 30/60/10, and the total mass of these oxides was 20 g. Weighed to be Li1.13Mn0.78Al0.09O2 ( Li ( 2 +2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)]- y My M=Al, x=0.3, y=0.09 when expressed in terms of O 2 ).

(実験例13)
水酸化リチウムとオキシ水酸化鉄を1対1のモル比で混合し、空気中750℃で12時間焼成することでLiFeO2を合成した。Li2MnO3、LiMnO2、LiFeO2を用い、Li2MnO3、LiMnO2、LiFeO2のモル比が30/60/10となるように調整し、かつこれらの酸化物の合計質量が20gとなるように秤量した。実験例1と同じ条件で遊星型ボールミル処理を行うことでLi1.13Mn0.78Fe0.092(Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2で表記した際のM=Fe、x=0.3、y=0.09)を作製した。
(Experimental example 13)
LiFeO 2 was synthesized by mixing lithium hydroxide and iron oxyhydroxide in a molar ratio of 1:1 and calcining the mixture at 750° C. in air for 12 hours. Li 2 MnO 3 , LiMnO 2 and LiFeO 2 were used and the molar ratio of Li 2 MnO 3 , LiMnO 2 and LiFeO 2 was adjusted to 30/60/10, and the total mass of these oxides was 20 g. Weighed to be Li1.13Mn0.78Fe0.09O2 ( Li ( 2 +2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)]- y My M=Fe, x=0.3, y=0.09 when expressed as O 2 ).

(X線回折測定)
試料の粉末X線回折測定を行った。測定は放射線としてCuKα線(波長1.54051Å)を使用したX線回折装置(リガク社製UltimaIV)を用いて行った。印加電圧を50kV、電流40mAに設定して測定を行った。また、測定は5°/分の走査速度で2θが10°~100°の角度範囲で記録した。図2は、実験例1のリチウムマンガン複合酸化物のX線回折測定結果である。図2に示すように、実験例1では、空間群Fm-3m(岩塩型構造)とFd-3m(スピネル型構造)とを含むことがわかった。この測定結果から、岩塩型構造とスピネル型構造との2成分系の構造モデルに対してGSASソフトウェアを用いてリートベルト解析を行い、岩塩型構造とスピネル型構造の割合を算出した。その結果、スピネル型構造の割合は12質量%であった。同様に、実験例2~13についても、スピネル相が含まれるものに対して、その含有量を算出した。
(X-ray diffraction measurement)
A powder X-ray diffraction measurement was performed on the sample. The measurement was carried out using an X-ray diffractometer (Ultima IV manufactured by Rigaku Co., Ltd.) using CuKα rays (wavelength: 1.54051 Å) as radiation. Measurement was performed by setting the applied voltage to 50 kV and the current to 40 mA. Further, the measurements were recorded at a scanning speed of 5°/min in the angle range of 2θ from 10° to 100°. 2 is the result of X-ray diffraction measurement of the lithium-manganese composite oxide of Experimental Example 1. FIG. As shown in FIG. 2, in Experimental Example 1, it was found that the space groups Fm-3m (rock salt type structure) and Fd-3m (spinel type structure) are included. Based on the measurement results, Rietveld analysis was performed on a two-component structural model of a rock salt structure and a spinel structure using GSAS software, and the ratio of the rock salt structure and the spinel structure was calculated. As a result, the ratio of the spinel structure was 12% by mass. Similarly, for Experimental Examples 2 to 13, the content of the spinel phase was calculated for those containing the spinel phase.

(二極式評価セルの作製)
得られた試料を正極活物質とし、合材割合を活物質85質量%、導電材としてカーボンブラック10質量%、結着材としてポリフッ化ビニリデン5質量%とした。分散材としてN-メチル-2-ピロリドンを適量添加、分散することでスラリー状合材とした。このスラリー状合材を15μm厚のアルミニウム箔集電体に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後塗布シートをロールプレスに通して高密度化させた。上記手法で作製した正極を2.05cm2の面積に打ち抜いて円盤状の電極を準備した。電極を作用極とし、リチウム金属箔(厚さ300μm)を対極として、両電極の間に非水系電解液を含浸させたポリエチレン製セパレータを挟んで二極式評価セルを作製した。非水系電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で30/40/30で混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解させたものを用いた。
(Preparation of bipolar evaluation cell)
The obtained sample was used as the positive electrode active material, and the mixture ratio was 85% by mass of the active material, 10% by mass of carbon black as the conductive material, and 5% by mass of polyvinylidene fluoride as the binder. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone was added as a dispersing agent and dispersed to obtain a slurry mixture. This slurry mixture was uniformly applied to an aluminum foil current collector having a thickness of 15 μm and dried by heating to prepare a coated sheet. The coated sheet was then passed through a roll press to densify it. A disk-shaped electrode was prepared by punching out the positive electrode produced by the above method to have an area of 2.05 cm 2 . A bipolar evaluation cell was prepared by sandwiching a polyethylene separator impregnated with a non-aqueous electrolytic solution between the electrodes as a working electrode and a lithium metal foil (thickness: 300 μm) as a counter electrode. For the non-aqueous electrolyte, LiPF6 was dissolved at a concentration of 1 M in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) at a volume ratio of 30/40/30. I used something else.

(充放電試験)
上記二極式評価セルを用い、20℃の温度環境下、0.05Cレート、5.0V~1.0Vの範囲で充放電試験を行った。図3は、実験例1のリチウムマンガン複合酸化物を用いた二極式評価セルの初期充放電曲線である。初期放電容量Qiは258mAh/gであった。この充放電サイクルを5サイクル行い、5サイクル後の放電容量Qcに対し、容量維持率を、Qc/Qi×100という式で計算した。
(Charging and discharging test)
Using the bipolar evaluation cell, a charge/discharge test was conducted in a temperature environment of 20° C. at a rate of 0.05 C and in a range of 5.0 V to 1.0 V. 3 is an initial charge/discharge curve of a bipolar evaluation cell using the lithium-manganese composite oxide of Experimental Example 1. FIG. The initial discharge capacity Qi was 258 mAh/g. This charge/discharge cycle was repeated 5 times, and the capacity retention rate was calculated by the formula Qc/Qi×100 with respect to the discharge capacity Qc after 5 cycles.

(結果と考察)
実験例1~13の組成、スピネル相の含有量(質量%)、放電容量(mAh/g)、容量維持率(%)をまとめて表1に示した。表1の実験例1~4に示すように、x=0.3の試料において、Fd-3m(スピネル型)に帰属可能なX線回折ピークが、空間群Fm-3m(岩塩型)のX線回折ピークに対して存在割合が5質量%以上35質量%以下の範囲、より好ましくは、10質量%以上20質量%以下の範囲において容量維持率が向上することがわかった。また、実験例3、5~8に示すように、基本組成式Li(2+2x)/(2+x)Mn[2/(2+x)]-yy2において、0.1<x<0.6の範囲、より好ましくは0.2≦x≦0.5の範囲で放電容量が増加することがわかった。即ち、基本組成式Li2MnO3のモル数M2と基本組成式LiMnO2のモル数M1とのモル比M2/M1が10/90を超え60/40未満の範囲、より好ましくは20/80以上50/50以下の範囲で放電容量が増加することがわかった。更に、実験例5、6、9、10に示すように、x=0.2,0.5の試料においても、スピネル型構造の複合化によって容量維持率が向上する効果が表れていることが分かった。そして、実験例11~13に示すように、M=Ti,Al,Feの少なくとも一つを更に複合化させることにより、容量維持率がさらに向上することがわかった。このMの添加量は、上記基本組成式において、0≦y≦0.2の範囲、より好ましくはy≦0.1の範囲で上記効果が得られると推察された。
(Results and discussion)
Table 1 summarizes the compositions, spinel phase contents (% by mass), discharge capacities (mAh/g), and capacity retention rates (%) of Experimental Examples 1 to 13. As shown in Experimental Examples 1 to 4 in Table 1, in the sample with x = 0.3, the X-ray diffraction peak attributable to Fd-3m (spinel type) is the X of the space group Fm-3m (rock salt type). It was found that the capacity retention rate is improved when the abundance ratio is in the range of 5% by mass or more and 35% by mass or less, more preferably in the range of 10% by mass or more and 20% by mass or less with respect to the line diffraction peak. Further, as shown in Experimental Examples 3 and 5 to 8, in the basic composition formula Li (2+2x)/(2+x) Mn [2/(2+x)]- y My O 2 , 0.1 It was found that the discharge capacity increased in the range of <x<0.6, more preferably in the range of 0.2≦x≦0.5. That is, the molar ratio M2/M1 between the number of moles M2 of the basic composition formula Li 2 MnO 3 and the number of moles M1 of the basic composition formula LiMnO 2 is in the range of more than 10/90 and less than 60/40, more preferably 20/80 or more. It was found that the discharge capacity increased in the range of 50/50 or less. Furthermore, as shown in Experimental Examples 5, 6, 9, and 10, even in the samples with x = 0.2 and 0.5, the effect of improving the capacity retention rate by compositing the spinel structure was observed. Do you get it. Further, as shown in Experimental Examples 11 to 13, it was found that the capacity retention rate was further improved by further compounding at least one of M=Ti, Al, and Fe. It is presumed that the above effect can be obtained in the range of 0≦y≦0.2, more preferably in the range of y≦0.1, in the above basic composition formula.

Figure 0007193315000001
Figure 0007193315000001

なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is by no means limited to the above-described embodiments, and can be embodied in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

本明細書で開示したリチウムマンガン複合酸化物、リチウム二次電池及びリチウムマンガン複合酸化物の製造方法は、二次電池の技術分野に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The lithium-manganese composite oxide, the lithium secondary battery, and the method for producing the lithium-manganese composite oxide disclosed in the present specification can be used in the technical field of secondary batteries.

20 リチウム二次電池、21 集電体、22 正極合材、23 正極シート、24 集電体、25 負極合材、26 負極シート、28 セパレータ、29 非水系電解液、32 円筒ケース、34 正極端子、36 負極端子。 20 Lithium secondary battery 21 Current collector 22 Positive electrode mixture 23 Positive electrode sheet 24 Current collector 25 Negative electrode mixture 26 Negative electrode sheet 28 Separator 29 Non-aqueous electrolytic solution 32 Cylindrical case 34 Positive electrode terminal , 36 negative terminal.

Claims (7)

リチウム二次電池の電極活物質に用いられるリチウムマンガン複合酸化物であって、
空間群Fm-3mに帰属可能な岩塩型構造と空間群Fd-3mに帰属可能なスピネル型構造とを含み前記スピネル型構造が5質量%以上35質量%以下の範囲で含まれる、リチウムマンガン複合酸化物。
A lithium manganese composite oxide used as an electrode active material for a lithium secondary battery,
A lithium-manganese composite comprising a rock salt structure that can be assigned to space group Fm-3m and a spinel structure that can be assigned to space group Fd-3m, wherein the spinel structure is contained in a range of 5% by mass or more and 35% by mass or less. oxide.
下記(1)~(2)のうち1以上の特徴を有する、請求項1に記載のリチウムマンガン複合酸化物。
(1)前記スピネル型構造を20質量%以下の範囲で含む。
(2)前記スピネル型構造を10質量%以上の範囲で含む。
The lithium-manganese composite oxide according to claim 1, which has one or more of the following features (1) to (2).
(1) The spinel structure is included in the range of 20% by mass or less.
(2) The spinel structure is included in the range of 10% by mass or more.
基本組成式Li2MnO3のモル数M2と基本組成式LiMnO2のモル数M1とのモル比M2/M1が10/90を超え60/40未満の範囲である、請求項1又は2に記載のリチウムマンガン複合酸化物。 3. The method according to claim 1 or 2 , wherein the molar ratio M2/M1 between the number of moles M2 of the basic composition formula Li2MnO3 and the number of moles M1 of the basic composition formula LiMnO2 is in the range of more than 10/90 and less than 60/40. lithium-manganese composite oxide. 基本組成式Li(2+2x)/(2+x)Mn(2/(2+x))-yy2(但し、0.1<x<0.6、MはTi、Al及びFeのうちいずれか1以上であり、0≦y≦0.2)で表される、請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウムマンガン複合酸化物。 Basic composition formula Li (2+2x)/(2+x) Mn (2/(2+x))- y My O 2 (where 0.1<x<0.6, M is Ti, Al and The lithium-manganese composite oxide according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of Fe is represented by 0≤y≤0.2). 請求項1~4のいずれか1項に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有する正極と、
負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたリチウム二次電池。
A positive electrode having the lithium manganese composite oxide according to any one of claims 1 to 4 as a positive electrode active material;
a negative electrode having a negative electrode active material;
an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
Lithium secondary battery with
リチウム二次電池の電極活物質に用いられるリチウムマンガン複合酸化物の製造方法であって、
800℃以上1100℃以下、6時間以上15時間以下の範囲で焼成することにより得られた基本組成式Li2MnO3のモル数M2と基本組成式LiMnO2のモル数M1とのモル比M2/M1が10/90を超え60/40未満の範囲となるよう原料を配合し、20時間以上40時間以下の範囲で混合粉砕することにより、岩塩型構造とスピネル型構造とを含み前記スピネル型構造が5質量%以上35質量%以下の範囲で含まれるよう調整する調整工程、
を含むリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
A method for producing a lithium-manganese composite oxide used as an electrode active material for a lithium secondary battery, comprising:
A molar ratio M2/ between the number of moles M2 of basic composition formula Li 2 MnO 3 and the number of moles M1 of basic composition formula LiMnO 2 obtained by firing in the range of 800° C. to 1100° C. and 6 hours to 15 hours. Raw materials are blended so that M1 is in the range of more than 10/90 and less than 60/40, and mixed and pulverized in the range of 20 hours or more and 40 hours or less to obtain the spinel structure including the rock salt structure and the spinel structure. is adjusted to be contained in the range of 5% by mass or more and 35% by mass or less,
A method for producing a lithium-manganese composite oxide containing
前記調整工程では、基本組成式Li(2+2x)/(2+x)Mn(2/(2+x))-yy2(但し、0.1<x<0.6、MはTi、Al及びFeのうちいずれか1以上であり、0≦y≦0.2)となるよう原料を配合する、請求項6に記載のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。 In the adjustment step, the basic composition formula Li (2+2x)/(2+x) Mn (2/(2+x))- y My O 2 (where 0.1<x<0.6, M is any one or more of Ti, Al and Fe, and the method for producing a lithium-manganese composite oxide according to claim 6, wherein the raw materials are blended so that 0≤y≤0.2).
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