JPH0710541A - リチウムマンガン複合酸化物 - Google Patents

リチウムマンガン複合酸化物

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JPH0710541A
JPH0710541A JP5161578A JP16157893A JPH0710541A JP H0710541 A JPH0710541 A JP H0710541A JP 5161578 A JP5161578 A JP 5161578A JP 16157893 A JP16157893 A JP 16157893A JP H0710541 A JPH0710541 A JP H0710541A
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JP
Japan
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lithium
surface area
specific surface
positive electrode
manganese
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JP5161578A
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Setsuo Yoshida
節夫 吉田
Masaki Okada
昌樹 岡田
Takashi Mori
隆 毛利
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Tosoh Corp
Original Assignee
Tosoh Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【構成】BET比表面積が10m2/g以上であるLi
MnO2。 【効果】BET比表面積が10m2/g以上であるLi
MnO2を合成し、このLiMnO2を正極に用いること
により、リチウムイオンの拡散抵抗は低減されサイクル
特性に優れた非水系リチウム二次電池の構成が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は従来にない新規なLiM
nO2に関するものであり、さらに詳しくは粉体の表面
積がBET比表面積として10m2/g以上を有するL
iMnO2に関するものである。
【0002】LiMnO2は、主として非水系リチウム
電池用、特に二次電池用の正極材として用いられる。
【0003】
【従来の技術】リチウム二次電池用正極材は、酸化還元
反応時に電荷補償として作用するリチウムイオンがド−
プ,脱ド−プすることにより機能する。ここで、例え
ば、正極に一般的な脱水処理を施した二酸化マンガン、
負極に金属リチウムを用いて酸化還元反応を行なわせる
と、還元時にリチウムイオンが二酸化マンガンにド−プ
されLiXMnO2(0≦X≦1)で示されるリチウムマ
ンガン酸化物が形成されるが、ド−プされたリチウムイ
オンが次ぎの酸化反応により完全に脱ド−プされないた
め充放電容量が次第に低下するという問題がある。これ
は二酸化マンガンが一次元のチャンネル構造のためリチ
ウムイオンの拡散抵抗が大きいためで、リチウムイオン
の可逆性に富んだ結晶構造を有する正極材の適用が必要
となる。
【0004】LiMnO2は層構造を基本骨格とするこ
とよりリチウムイオンのド−プ,脱ド−プが容易となる
優れた構造であり、しかも、予めリチウムイオンをド−
プさせた複合酸化物であることよりリチウムイオンの拡
散抵抗を低下させることが可能となり、近年、非水系リ
チウム二次電池の正極材として有望視されている。
【0005】LiMnO2の合成は、例えば、特開昭6
2−290058号公報に電解二酸化マンガンと炭酸リ
チウムを1:2のモル比で混合し、不活性ガス雰囲気中
で800〜950℃にて3時間焼成する方法が提案され
ている。また、特開平1−294375号公報にLi2
OとMn23を当量混合し、この混合物をAr/H
2(95/5)中、550℃で加熱することによりLi
MnO2を合成し,この合成物から電気化学的にLiを
抜き出す方法が提案されている。
【0006】これらの製造法は基本的には原料の粉末と
粉末を混合し、焼成する熱化学反応による合成法であ
る。
【0007】一方、特開平4−237953号公報では
硝酸塩(M(NO32,Mは遷移金属元素)の水溶液と
水酸化リチウムの水溶液をMとリチウムのモル比が1:
1になるように混合し、減圧乾燥等による乾燥後、50
0℃〜1000℃で焼成する、いわゆる水溶液合成を基
本とする方法が提案されている。
【0008】しかし、上記する合成法により得ることの
出来るLiMnO2は、いづれもBET比表面積が数m2
/gの粉体であり、これらの粉体を電池の正極材として
用いた場合、十分な充放電容量が得られない。
【0009】これまで提案されているLiMnO2は、
比表面積の小さい粉体であるため電気化学活性が不十分
であり、正極に適用した場合、サイクル特性に優れた非
水系リチウム二次電池を構成することは困難である。
【0010】尚、ここで言うサイクル特性は、二次電池
における充放電を繰り返し実施した時の放電容量の維持
率(%)で評価される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本願発明の目的は、非
表面積が大きなLiMnO2を提供することにあり、こ
のLiMnO2を非水系リチウム二次電池の正極に使用
すれば、サイクル特性の優れた非水系リチウム二次電池
が構成できる事が期待される。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、比表面積
を増大させることによりリチウムイオンの拡散抵抗は低
減されサイクル特性が改善出来るとの概念に基づき鋭意
検討を行なった結果、従来にない高い比表面積を有する
LiMnO2の合成を可能とし、これをリチウム二次電
池の正極材として用いることにより、サイクル特性の優
れた非水リチウム二次電池が構成できることを確認し、
本発明を完成するに至った。
【0013】以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【0014】
【作用】本発明はBET比表面積が10m2/g以上で
あるLiMnO2である。
【0015】粉体の表面積と電池正極としての利用効率
の理論的な相関は明らかでないが、表面積の増大は反応
面積の増大に近似されるものと考えられる。
【0016】本発明者等の検討によると、同一組成、同
一結晶構造を有する酸化物において、その酸化物の持つ
固有抵抗が大きくても、その酸化物の表面積を数十倍以
上に増大させることにより電池の正極材としての反応抵
抗は著しく低下することが確認されており、表面積の増
大は導電助剤との接触抵抗の低減並びに電解液との電荷
移動抵抗の低減に寄与し反応抵抗を小さくするものと考
えられる。
【0017】従って、表面積の増大によりリチウムイオ
ンの拡散抵抗は低減できサイクル特性は向上するものと
考える。
【0018】本発明のLiMnO2の表面積はBET比
表面積として10m2/g以上、より好ましくは20m2
/g以上であることが望ましい。
【0019】BET比表面積が10m2/g未満の場
合、サイクル特性は不十分となる。この理由は明らかで
はないが、本発明者等の検討によるとBET比表面積が
10m2/g未満の場合、粒子同志の著しい凝集により
粒子成長が生じ、凹凸の少ない表面状態を持つ粉体の集
合体となることより反応活性点の減少が生じてサイクル
特性が減少するものと考える。
【0020】本発明の実施態様としての合成法を例示す
る。
【0021】本発明のLiMnO2は基本的に金属マン
ガンとリチウム塩並びに二酸化マンガンを混合し反応さ
せることにより合成することが出来るが、この時、金属
マンガンと二酸化マンガンのト−タルマンガン(T−M
n)とリチウム(Li)のモル比をほぼ1:1とし、反
応容器の外部温度を70℃〜100℃とすることが大切
である。
【0022】合成操作としては、外部温度を70℃〜1
00℃に設定し、T−Mnの当モル〜20倍モル程度の
純水にリチウム塩を溶解させ、これに金属マンガンを添
加し簡易的に攪拌を行った後、二酸化マンガンを添加、
混合、攪拌し一昼夜程度放置することにより合成され
る。
【0023】本発明の合成法の反応機構は明らかでない
が、金属マンガンの酸化溶解、と同時に発生する水素ガ
スによる二酸化マンガンの還元溶解、及び本反応が10
0数十℃程度の発熱反応であることが合成反応並びに粒
子の凝集抑制に好適な効果を示し、比表面積が大きなL
iMnO2が合成できるものと考える。
【0024】本発明に用いられる金属マンガンは、一般
的な製法、例えば、還元法、電解析出法及び溶融塩電解
法等により取得される金属マンガンを用いることができ
る。金属マンガンの形状、粒度分布等の物質特性は特に
限定されるものでなく、得られるLiMnO2の物性を
左右するものではないが、反応性の観点より粒度の小さ
な粉体を用いることが好ましい。また、本発明に用いら
れる二酸化マンガンはいかなる合成法並びに結晶構造を
有するものでも適用できるが、好ましくは、電解合成法
によるγ−MnO2が用いられる。
【0025】粉体物性は特に限定されるものではない
が、金属マンガンと同様、反応性の面より粒度の小さな
粉体が望ましい。
【0026】本発明に用いられるリチウム塩は、特に限
定されるものではないが、通常は水酸化リチウムが用い
られる。
【0027】得られたLiMnO2は、リチウム二次電
池の正極材として用いることができる。この時、LiM
nO2は一般的な乾燥のみで焼成処理を施すこと無く適
用されるが、500℃前後の温度で不活性ガスを用いて
焼成処理を行うことにより充放電性能は幾分向上する。
【0028】本発明の非水系リチウム二次電池の負極と
しては、リチウム金属、リチウム合金及びリチウムがド
−プ、脱ド−プできる炭素質材料が用いられる。
【0029】また、本発明の非水リチウム二次電池の電
解質は特に制限されないが、例えば、カ−ボネ−ト類、
スルホラン類、ラクトン類及びエ−テル類等の有機溶媒
中にリチウム塩を溶解したものやリチウムイオン導電性
の固体電解質を用いることができる。
【0030】本発明で得られたリチウム−マンガン複合
酸化物を用いて、図1に示す電池を構成した。図中にお
いて、1:正極用リ−ド線、2:正極集電用メッシュ、
3:正極、4:セパレ−タ−、5:負極、6:負極集電
用メッシュ、7:負極用リ−ド線、8:容器を示す。
【0031】以下、実施例により本発明を詳細に述べる
が、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0032】
【実施例】実施例1 水酸化リチウム(LiOH・H2O)2モルを75℃に
設定した恒温槽内において150ミリリットルの純水に
溶解させた後、平均粒径60μmの金属マンガンを1モ
ル添加し簡単な攪拌を行なった。引き続き平均粒径2μ
mの二酸化マンガン1モルを添加し、軽く攪拌を行った
後、20時間放置した。反応終了後、液は存在せずサク
サクした非常に脆い凝集状態の粉体が得られた。この粉
体の水洗、濾過、乾燥を行った後、乳鉢で軽く解砕し
た。
【0033】得られた粉体のX線回折図を行なったとこ
ろ回折角(2θ)の15゜付近及び24゜付近にLiM
nO2に帰属する(010)及び(011)のピ−クが
認められLiMnO2であることが同定された。この時
のX線回折図を図2に示す。また、BET比表面積を測
定したところ45m2/gの値が得られた。
【0034】得られたLiMnO2、導電材のカ−ボン
粉末及び結着材のポリテトラフルオロエチレン粉末を重
量比で、88:7:5の割合で乳鉢混合した。この混合
物100mgを1ton/cm2の圧力で8mmφのペ
レットに成型した。これを図1の正極(3)として用
い、図1の負極(5)には金属リチウム箔(厚さ0.2
mm)から切り抜いたリチウム片を用い、電解液にはプ
ロピレンカ−ボネ−トと1,2ジメトキシエタンを体積
比で1:1の割合で混合した液に過塩素酸リチウムを1
mol/dm3濃度で溶解した電解液を図1のセパレ−
タ(4)に含浸させて、図1に示す面積0.5cm2
ある電池を構成した。
【0035】上記方法で作製した電池を用いて、0.5
mAの一定電流で電池電圧が2V〜4Vの範囲で充放電
を繰り返した結果を図3に示す。結果から50サイクル
目の放電容量維持率は85%を保持した。
【0036】実施例2 実施例1の合成で得られた凝集状態の粉砕粉を窒素中4
50℃で20時間焼成した後、水洗、濾過そして乾燥を
行ない、再度粉砕を行なった。
【0037】得られた焼成体のX線解析を行なったとこ
ろ実施例1と同一のピ−クパタ−ンを示した。また、B
ET比表面積は26m2/gであった。
【0038】この焼成品を正極材として実施例1と同一
条件で電池を作製し、充放電のサイクル特性を測定した
結果を図3に示した。
【0039】50サイクル目の放電容量維持率は90%
を保持した。
【0040】比較例1 平均粒径50μmの電解二酸化マンガンと炭酸リチウム
を等モルとしてVミキサ−を用いて2時間混合した後、
さらに乳鉢で1時間入念に混合して得た混合物を窒素ガ
ス中850℃で3時間焼成を行なった。
【0041】得られた焼成体のX線回折を行なったとこ
ろLiMnO2に帰属したピ−クパタ−ンを示し、BE
T比表面積は1.2m2/gであった。
【0042】この合成物を正極材として実施例1と同一
条件で充放電測定を行なったところ1サイクル目の放電
容量は実施例1の1サイクル目の約75%の容量であっ
た。また、図3に示すように50サイクル目の放電容量
維持率は50%まで低下した。
【0043】比較例2 1mol/dm3の硝酸マンガン溶液と1mol/dm3
の水酸化リチウム水溶液とを0.5時間攪拌混合し、得
られたスラリ−を減圧乾燥した後、110℃で乾燥を行
ない、その後、窒素ガス中、800℃で4時間の焼成を
行なった。
【0044】得られた焼成体のX線回折を行なったとこ
ろLiMnO2が合成されていることが確認されたがB
ET比表面積は3.6m2/gであった。
【0045】この合成物を正極材として実施例1と同一
条件で充放電測定を行なったところ、1サイクル目の放
電容量は実施例1の1サイクル目の約85%の容量であ
った。
【0046】また、図3に示すように50サイクル目の
放電容量維持率は65%まで低下した。
【0047】
【発明の効果】以上述べてきた通り、本発明のLiMn
2は従来にない大きな比表面積を有するリチウムマン
ガン複合酸化物であり、リチウム二次電池の正極材とし
て適用すると、大きな比表面積を有する効果によりサイ
クル特性に優れた非水リチウム二次電池の構成が可能と
なる。このLiMnO2は、金属マンガンと二酸化マン
ガンのト−タルマンガンに対しリチウム塩をモル比で
1:1として70℃〜及100℃で混合することにより
取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例および比較例で作製した電池の実施態様
を示す断面概略図である。用いた攪拌造粒装置の概略を
示す図である。
【符号の説明】
1:正極用リ−ド線 2:正極集電用メッシュ 3:正極 4:セパレ−タ− 5:負極 6:負極集電用メッシュ 7:負極用リ−ド線 8:容器
【図2】実施例1で得られた粉体のX線回折パタ−ンを
示した図である。
【図3】実施例1、実施例2、比較例1並びに比較例2
で作製した電池の初期放電容量に対する各サイクル毎の
放電容量維持率を示した図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】BET比表面積が10m2/g以上である
    LiMnO2
JP5161578A 1993-06-30 1993-06-30 リチウムマンガン複合酸化物 Pending JPH0710541A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0813256A2 (en) * 1996-06-13 1997-12-17 Japan Storage Battery Company Limited Layered, hexagonal lithium manganese oxide as a positive electrode active material for lithium battery, method for producing the same, and lithium battery containing the same
JP2011105538A (ja) * 2009-11-17 2011-06-02 Tosoh Corp オキシ水酸化マンガン及びその製造方法並びにそれを用いたリチウムマンガン系複合酸化物

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EP0813256A3 (en) * 1996-06-13 1998-09-16 Japan Storage Battery Company Limited Layered, hexagonal lithium manganese oxide as a positive electrode active material for lithium battery, method for producing the same, and lithium battery containing the same
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