JPH0536409A - 非水電解質二次電池用正極活物質とその製造方法 - Google Patents
非水電解質二次電池用正極活物質とその製造方法Info
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Abstract
性能を有する非水電解質二次電池を提供することを目的
とする。 【構成】(1) MnO2 とスピネル型LiMn2 O4 から
なる。 (2) Cu−KαのX線回折測定におけるMnO2 の3
6.7度付近の回折強度に対するスピネル型LiMn2
O4 の18.3度付近の回折強度の比が、0.2以上
4.3未満である。
Description
くはメモリー保持電源に用いる非水電解質二次電池用正
極活物質およびその製造方法に関するものである。
その電源である電池に対して小形で軽量かつ高エネルギ
ー密度で、更に繰り返し充放電が可能な二次電池の開発
への要求が高まっている。これら要求を満たす二次電池
として、リチウム二次電池が最も有望である。なぜな
ら、リチウム二次電池は、負極であるリチウムの電位が
極めて卑であるため、電池の電圧が高く、かつリチウム
の体積,重量エネルギー密度が高いため、高エネルギー
密度の二次電池を提供できるという利点を有しているか
らである。
炭素材料を用いた非水電解質二次電池が盛んに研究され
るようになってきた。これら電池は、リチウムを負極に
用いた電池に比べ電池のエネルギー密度が低下するもの
の、安全性および電池のサイクル寿命が向上するという
利点を有している。
種の材料が提案されいる。たとえばTiS2 ,Mn
O2 ,V2 O5 ,LiCoO2 ,LiMn2 O4 等の無
機化合物系、あるいはポリアニリン,ポリピロール等の
有機化合物系活物質が知られている。
O2 )は高い電圧を有し、資源的に豊富で、かつ安価で
あるという点で、有機電解質二次電池の正極活物質とし
て有望である。
く3種に分類できる。1つ目はMnO2 を200℃〜4
30℃の温度で熱処理したγ−β型あるいはβ型のMn
O2 、2つ目はMn2 O3 とLi2 CO3 とをLi/M
nモル比1/2で混合し、850℃で熱処理したスピネ
ル型LiMn2 O4 、そして3つ目はMnO2 とLiO
Hとを混合し、375℃で熱処理したMnO2 とLi2
MnO3 との複合酸化物(CDMO)である(特開昭6
3−114064号)。
β型のMnO2は容易に調製できかつ、充放電容量が約
120mAh/gと大きいものの、充放電を繰り返すこ
とにより結晶構造が崩壊し、サイクルの進行に伴う容量
劣化が大きいという問題があることがわかった。
言われるスピネル型LiMn2 O4 は、充放電容量が約
100mAh/gと小さく、放電電位もMnO2 より低
くなる。また、充放電サイクルの進行に伴う容量劣化も
著しいことがわかった。しかし、分析の結果この容量劣
化の原因は、結晶の崩壊によるものではなく、活物質と
導電助剤との電気的接触が劣化したためであることがわ
かった。
充放電容量(約150mAh/g)と比較的良好な充放
電可逆性を示したものの、100サイクル充放電を行う
と約90mAh/gへと容量が大きく低下するのがみら
れ、充放電可逆性はまだまだ不十分であることがわかっ
た。
従来の活物質の充放電可逆性は依然不十分である。本発
明は、高い電圧を有し、資源的に豊富で、かつ安価なマ
ンガン酸化物の改良に係わるもので、従来の活物質の課
題である不十分な充放電可逆性を活物質の充放電容量を
低下させることなく解決しようとするものである。さら
に、あわせて従来の活物質よりも容易な製造方法を提供
するものである。
ピネル型LiMn2 O4 からなる正極活物質であって、
該正極活物質のCu−KαのX線回折測定におけるMn
O2 の36.7度付近の回折強度に対するスピネル型L
iMn2 O4 の18.3度付近の回折強度の比が、0.
2以上4.3未満であることを特徴とする非水電解質二
次電池用正極活物質を用いることにより、高エネルギー
密度でかつ充放電サイクル寿命の長い二次電池を提供す
るものである。
で0.03以上0.20未満の有機リチウム化合物を添
加混合し、熱処理することで優れた活物質を容易に製造
することができる。
くリチウムイオンのドープ、脱ドープに対して安定なス
ピネル型LiMn2 O4 の結晶構造に着目した。
という欠点がある。そこで、充放電容量が大きいが充放
電可逆性に劣るMnO2 と充放電可逆性に優れるが充放
電容量の小さいスピネル型LiMn2 O4 とを最適な混
合比で複合化することで、優れた充放電可逆性を有しか
つ充放電容量の大きな活物質が提供できと考え、合成を
行った。
2 結晶による回折パターンとスピネル型LiMn2 O4
結晶による回折パターンとが主成分として観測される活
物質が合成できた。また、この活物質は電子顕微鏡によ
る観察で、MnO2 の粒子形状を保持していることがわ
かった。これら結果から考察するに、この活物質はMn
O2 粒子の中にスピネル型LiMn2 O4 結晶を部分的
に含有した構造を有する活物質であると思われる。
4 との混合比とを変化させた活物質を用いて電池を作成
し試験を行った。
を用いた電池では、MnO2 を用いた電池と同様な放電
曲線およびサイクルの進行に伴う容量低下を示した。一
方、スピネル型LiMn2 O4 が多い活物質を用いる
と、スピネル型LiMn2 O4 と同様な低い放電電圧お
よび小さい充放電容量を示したものの、サイクルの進行
に伴う容量低下は見られなかった。
O4 とが最適な混合比で混ざった活物質、すなわちCu
−KαのX線回折測定におけるMnO2 の36.7度付
近の回折に対するスピネル型LiMn2 O4 の18.3
度付近の回折強度の比が、0.4以上0.15未満の範
囲の活物質を用いた場合、MnO2 やスピネル型LiM
n2 O4 を単独で用いた電池と比較して、高い放電電圧
および大きな充放電容量と長い充放電サイクル寿命を有
する電池が得られた。
MnO2 の120mAh/gあるいはスピネル型LiM
n2 O4 の100mAh/gよりも大きく、また100
サイクル充放電経過後の充放電容量も約120mAh
と、MnO2 ,スピネル型LiMn2 O4 そしてCDM
Oよりも優れた可逆性を示す結果となった。
MnO2 の36.7度付近の回折に対するスピネル型L
iMn2 O4 の18.3度付近の回折強度の比が、0.
15の活物質を用いた場合は、容量が約110mAh/
gへと低下するものの、100サイクル充放電経過後の
充放電容量も約110mAhと、MnO2 ,スピネル型
LiMn2 O4 そしてCDMOよりも優れた可逆性を示
す結果となった。
電容量と優れた充放電可逆性を示す理由は明かではない
が、下記のように推察した。
リチウムイオンの拡散は、従来トンネルを経由するもの
と考えられていた。しかし近年、結晶が成長しトンネル
構造が発達したMnO2 はほとんど充放電することがで
きない結果を基に、リチウムの拡散はトンネルを通るの
ではなくMnO2 結晶の歪部分を通って行われるという
仮説が報告されている。この仮説に基づけば本発明の活
物質が高い放電電圧と大きな充放電容量を示した理由が
説明できる。
iMn2O4 結晶が最適な混合比で混入したことで、M
nO2 の結晶に部分的な歪みが生じ、MnO2 中のリチ
ウムイオン拡散が容易となった。その結果、放電時のイ
オンの拡散律速による過電圧が減少し、電池の放電電圧
が上昇したものと思われる。また、同様に充電時のイオ
ンの脱ドープも円滑に行われる様になったため、深い充
電が可能となったことに加えてMnO2 結晶中のスピネ
ル型LiMn2 O4 結晶も充放電が可能なため、充放電
容量の増大が起きたものと思われる。
持特性が改善された理由は、上記に述べたMnO2 中の
部分的な歪が、充放電による結晶の歪みを吸収したた
め、もしくは充放電可逆性の優れたスピネル型LiMn
2 O4 結晶がMnO2 結晶の結晶の崩壊を防止したため
と考えられる。
るLi2MnO3 結晶がMnO2 結晶の崩壊を防止する
ため、充放電サイクルの進行に伴う容量劣化が少ないと
報告されている。しかし、Li2 MnO3 結晶は充放電
できないため、本発明の活物質と同じ容量たとえば15
0mAh/gで充放電を行った場合、CDMO結晶中の
MnO2 は本発明活物質結晶中のMnO2 よりも、より
深い深度で充放電されることとなるため、結晶の膨張収
縮が大きくなり結晶がより早く崩壊しやすい。この理由
から、本発明の活物質がCDMOに比較して優れた充放
電可逆性を示したものと考えられる。
する。
時間真空乾燥したγ−β型二酸化マンガンとクエン酸リ
チウムとをLi/Mnモル比でそれぞれ0.03/1,
0.06/1,0.09/1,0.12/1および0.
15/1にて粉砕・混合した後、1トン/cm2 でφ2
0mm、高さ20mmのペレットに成型した。このペレ
ットを空気中において温度275℃で15時間加熱焼成
した。これら反応生成物のX線回折を測定した結果を図
1に示す。このX線回折はCu−Kα線を使用して行
い、測定条件は管電圧40KV、管電流30mA、測定
範囲200cps、走査速度0.25°/分、記録紙速
度2.5mm/分、発散スリット幅1mm、受光スリッ
ト幅0.15mm、モノクロメーターの受光スリット幅
0.6mmである。
γ−β型MnO2 とASTM No.35-782 のLiMn2
O4 との重ね合わせで説明できた。
に対してアセチレンブラック(導電助剤)を5重量部、
およびポリ4フッ化エチレン(結着材)を3重量部添加
してよく混練した後、120℃で4時間熱風乾燥して正
極合剤を調整した。そして、その正極合剤を108mg ずつ
秤量して325 メッシュのSUS316製金網に包み込んで、2
トン/cm2 で加圧成形して正極とした。正極の寸法は、
直径16.0mm厚み0.4mm程度である。この正極を電池に組
み込むまえに再度、120℃で3時間真空乾燥処理を行
った。
サイズは直径16mm、厚み0.4mm 程度で、理論容量は約2
30mAh である。
ポーラスセパレータ(セルガードK274)及びポリプロピ
レンの不織布を重ねて用いて、外径20.0mm,高さ2.0mm
の電池を作成した。
4−メチル1,3−ジオキソラン(4-MeDOL) および1,
3−ジオキソラン(DOL) とをそれぞれ体積比5:3:
2.7で混合してなる有機溶媒に電解質として過塩素酸
リチウムを1モル/リットル溶解したものを用いた( L
iClO4 (1M)/EC+4-MeDOL+DOL(5:3:2.7)混合溶媒)。
おいて1は、耐有機電解液性のステンレス鋼板をプレス
によって打ち抜き加工した正極端子を兼ねるケース、2
は同種の材料を打ち抜き加工した負極端子を兼ねる封口
板であり、その内壁には負極活物質3が圧着されてい
る。5は有機電解液を含浸したポリプロピレンからなる
セパレーター、6は正極合剤であり正極端子を兼ねるケ
ース1の開口端部を内方へかしめ、ガスケット4を介し
て負極端子を兼ねる封口板2の内周を締め付けることに
より密閉封口している。
れぞれ電池(A),(B),(C)(D)および(E)
とする。
燥したγ−β型二酸化マンガンを正極活物質とした。こ
のX線回折測定の結果を図1に示す。測定条件は、実施
例1と同じである。 また、このγ−β型二酸化マンガ
ンを電池の正極活物質として用いることを除いて他は、
実施例1と同様の電池を作成した。この比較電池を電池
(ア)とする。
時間真空乾燥したγ−β型二酸化マンガンとクエン酸リ
チウムとをLi/Mnモル比でそれぞれ0.20/1,
および0.25/1にて粉砕・混合したことを除いて
は、実施例1と同じ方法で活物質を合成した。これら反
応生成物のCu−Kα線を用いたX線回折測定の結果を
図1に示す。測定条件は、実施例1と同じである。これ
らは、リチウムの濃度が大きくなるにつれ、γ−β型M
nO2 の強度が次第弱くなり、逆にスピネル型LiMn
2 O4 とクエン酸リチウムの分解生成物と思われる不純
物の強度が強く観測された。
を除いて他は、実施例1と同様の電池を作成した。これ
ら比較電池をそれぞれ電池(イ)および(ウ)とする。
3 )と炭酸リチウムとをLi/Mnモル比で1/2にて
混合・粉砕した後、1トン/cm2 でφ20mm、高さ
20mmのペレットに成型した。
温度650℃で6時間予備焼成の後温度850℃で20
時間本焼成して合成した。反応生成物は、暗青色粉末で
あり、X線回折パターンを調べたところ図1に示す回折
パターンとなり、ASTMNo.35-782 のLiMn2 O4
のデータと一致した。
い、測定条件は管電圧30KV、管電流20mA、測定
範囲1000cps、走査速度2°/分、記録紙速度2
0mm/分、発散スリット幅1mm、受光スリット幅
0.15mm、モノクロメーターの受光スリット幅0.
6mmである。
として用いることを除いて他は、実施例1と同様の電池
を作成した。この正極活物質を用いた比較電池を電池
(エ)とする。
ウムとをLi/Mnモル比で3/7にて混合・粉砕した
後、1トン/cm2 でφ20mm、高さ20mmのペレ
ットに成型した。
5℃で20時間焼成してCDMOを合成した。X線回折
パターンを調べたところ図1に示す回折パターンとな
り、報告されているCDMOのデータと一致した。
い、測定条件は管電圧40KV、管電流30mA、測定
範囲200cps、走査速度0.25°/分、記録紙速
度2.5mm/分、発散スリット幅1mm、受光スリッ
ト幅0.3mm、モノクロメーターの受光スリット幅1
mmである。
用いることを除いて他は、実施例1と同様の電池を作成
した。この正極活物質を用いた比較電池を電池(オ)と
する。
槽中、電圧3.4V〜2.0Vの間で2.0mAの定電
流で充放電を繰り返し、各サイクルにおける充放電曲線
および充放電容量を測定した。
(B),(C),(D)および(E)と、比較電池
(ア)の3サイクル目の放電曲線を示す。
(A),(B),(C)および(D)は、比較電池
(ア)と比較して放電電圧および放電容量ともに大き
い。
中にスピネル型LiMn2 O4 結晶が最適な混合比で混
入したことで、MnO2 の結晶に部分的な歪みが生じ、
MnO2 中のリチウムイオン拡散が容易となり、その結
果放電時のイオンの拡散律速による過電圧が減少したこ
とで、電池の放電電圧が上昇したものと思われる。
円滑に行われる様になったため、深い充電が可能となっ
たことに加え、MnO2 結晶中のスピネル型LiMn2
O4 結晶も充放電が可能なため、充放電容量の増大が起
きたものと思われる。
(B),(C),(D)および(E)と、比較電池
(ア),(イ),(ウ),(エ)および(オ)の充放電
サイクルの進行に伴う放電容量変化を示す。
(A),(B),(C),(D)および(E)は、比較
電池(ア),(イ),(ウ),(エ)および(オ)と比
較して100サイクル経過後においても最も大きな放電
容量を有している。
n2 O4 結晶が混入することで、活物質の充放電容量お
よび充放電可逆性がどのように変化するかを分かりやす
くするため、Cu−KαのX線回折測定におけるMnO
2 の36.7度付近の回折強度に対するスピネル型Li
Mn2 O4 の18.3度付近の回折強度の比と、電池の
3サイクル目および100サイクル目の放電容量を図5
にまとめた。また、比較のためにCDMOの結果も併記
した。
回折測定におけるMnO2 の36.7度付近の回折強度
に対するスピネル型LiMn2 O4 の18.3度付近の
回折強度の比が、0.2以上4.3未満である正極活物
質を使用したときに最も大きな充放電容量と優れた容量
保持特性を有する電池が得られることがわかる。
を製造するに当たりクエン酸リチウムを用い、その分解
温度である275℃で焼成を行った例を示したが、活物
質に不純物が若干混入するものの、より低い温度(18
0℃)あるいはより高い温度(375℃)で焼成を行っ
た場合も同様な結晶構造を有する活物質を得ることがで
きた。
チウムを用いた場合(温度220℃で焼成)においても
ほぼ同様な活物質が得られたことから、有機リチウム化
合物を使用すれば本発明と同様の効果が得られると思わ
れる。
よび蓚酸リチウムなどの無機リチウム化合物を使用した
場合には、本発明の活物質とはならずCDMOと同様な
活物質が合成された。しかし、上記有機リチウム化合物
と無機リチウム化合物とを組み合わせて使用すれば、C
DMOより優れた活物質が得られる可能性があると思わ
れる。
は、従来のスピネル型LiMn2 O4 (合成温度850
℃)やCDMO(合成温度375℃)と比較して、より
低い温度200℃〜300℃で合成できるため、量産性
の向上や電気炉などの維持経費の削減などの利点を有す
る。
5℃で5時間真空乾燥した二酸化マンガンを用いたが、
これは水分を完全に除くために行ったためで、微量水分
が問題とならない場合は未処理もしくはより低い温度で
乾燥した二酸化マンガンを用いても同様な活物質の合成
が可能である。
リチウムを用いたが、負極活物質は基本的に限定され
ず、リチウム合金やカーボン(たとえば熱分解カーボ
ン,ピッチ系カーボン,グラファイト,コークス)など
のリチウムイオンを吸蔵放出する物質を用いることがで
きる。
解液や固体のイオン導電体も基本的に限定されず、従来
の有機電解液二次電池に用いられているものを用いるこ
とが出来る。たとえば、有機溶媒としては非プロトン溶
媒であるエチレンカーボネイトなどの環状エステル類お
よびテトラハイドロフラン,ジオキソランなどのエーテ
ル類があげられ、これら単独もしくは2種以上を混合し
た溶媒を用いることが出来る。固体のイオン導電体とし
ては、リチウムイオン導電性を有するものであれば用い
ることができる。その代表的なものとして、ポリエチレ
ンオキサイドなどがあげられる。
イオン導電体に溶解される支持電解質も基本的に限定さ
れるものではない。たとえば、 LiAsF6 , LiClO4 ,Li
PF6 ,LiCF3SO3 などの1種以上を用いることができ
る。
ボタン形電池であるが、円筒形、角形またはペーパー形
電池に本発明を適用しても同様の効果が得られる。
エネルギー密度と長い充放電サイクル寿命性能を有する
非水電解質二次電池を提供することができるものであ
る。
内部構造を示した図。
図。
クル目の放電容量を示した図。
Claims (2)
- 【請求項1】 MnO2 とスピネル型LiMn2 O4か
らなる非水電解質二次電池用正極活物質であって、該正
極活物質のCu−KαのX線回折測定におけるMnO2
の36.7度付近の回折強度に対するスピネル型LiM
n2 O4 の18.3度付近の回折強度の比が、0.2以
上4.3未満であることを特徴とする非水電解質二次電
池用正極活物質。 - 【請求項2】 MnO2 に対してLi/Mnモル比で
0.03以上0.20未満の有機リチウム化合物を添加
混合し、熱処理することを特徴とする非水電解質二次電
池用正極活物質の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21448291A JP3266916B2 (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 非水電解質二次電池用正極活物質とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21448291A JP3266916B2 (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 非水電解質二次電池用正極活物質とその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0536409A true JPH0536409A (ja) | 1993-02-12 |
JP3266916B2 JP3266916B2 (ja) | 2002-03-18 |
Family
ID=16656446
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21448291A Expired - Lifetime JP3266916B2 (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 非水電解質二次電池用正極活物質とその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3266916B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5716737A (en) * | 1995-03-20 | 1998-02-10 | Matsushita Electric Industrial Co. | Nonaqueous electrolyte secondary battery, cathode active material and method for producing the same |
JP2008084587A (ja) * | 2006-09-26 | 2008-04-10 | Toyota Motor Corp | リチウム二次電池 |
-
1991
- 1991-07-30 JP JP21448291A patent/JP3266916B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5716737A (en) * | 1995-03-20 | 1998-02-10 | Matsushita Electric Industrial Co. | Nonaqueous electrolyte secondary battery, cathode active material and method for producing the same |
JP2008084587A (ja) * | 2006-09-26 | 2008-04-10 | Toyota Motor Corp | リチウム二次電池 |
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