JPH10330118A - 急冷法によるリチウム−マンガン酸化物の製造方法 - Google Patents
急冷法によるリチウム−マンガン酸化物の製造方法Info
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Abstract
よく準安定相の層状岩塩型構造化合物を含むリチウム−
マンガン酸化物を得ることが可能なリチウム−マンガン
酸化物の製造方法を提案する。 【解決手段】 リチウムおよびマンガン原料、またはこ
れらの固相反応法、錯体重合法による予備処理物を空気
中LiMnO2の生成する温度で焼成した後、液体窒素
で急冷し、層状岩塩型構造のリチウム−マンガン酸化物
を製造する方法。
Description
ガン原料を焼成してリチウム−マンガン酸化物を製造す
る方法、特に急冷法による層状岩塩型構造化合物を含む
リチウム−マンガン酸化物の製造方法に関するものであ
る。
チウムの複合酸化物を正極としたリチウム2次電池は、
これまでのニカド電池やニッケル水素電池と比較して作
動電位が3V〜4Vと非常に高く、エネルギー密度も高
いので、種々の電子機器の電源として期待されている。
特に、エレクトロニクス分野におけるポータブル電子機
器(携帯電話、ノート型パソコンなど)の急速な発展に
伴い、それらに搭載される充放電可能な小型リチウム2
次電池の需要は急激な拡大傾向を示している。また、我
が国の電力需要を考えると、将来家庭用の電力貯蔵装置
が必要不可欠になるものと予測され、リチウム2次電池
はその候補としても期待できる。
おいて、固体中最も電荷密度が高く、最もレドックス電
位の低いリチウムをゲストとすることで、これまでの2
次電池に比べて起電力、エネルギー密度および可逆性を
高くすることができる。しかしながら、実用化に際して
はさらに大容量化、長寿命化および組電池化などの問題
をクリアーしなければならないが、その鍵はより高性能
な正極材料の開発にある。
在市販されているLiCoO2より電池電圧が高いの
で、エネルギー密度も高く、しかもマンガンはコバルト
に比べて資源は豊富で、コストも安価であることから、
次世代のリチウム電池用正極剤の候補として最有力であ
る。
合物が報告されているが、現在リチウム2次電池用正極
材料として用いられているのはスピネル型構造化合物
(LiMn2O4)だけである。LiMn2O4は安価であ
ることからLiCoO2の代替材料として注目されてい
るが、この化合物の理論容量は148mAh/gとLi
CoO2の理論容量より遥かに小さい。
層状岩塩型構造化合物であり、電気容量もLiCoO2
とほぼ同程度(284mAh/g)であることから、代
替材料として有望である。ところが、この化合物の合成
は通常の固相反応法では非常に難しく、純粋なLiMn
O2は溶融塩法やアルゴン中での雰囲気制御による焼成
法でしか得られていない。その理由は、LiMnO2は
層状岩塩型構造と不規則配列岩塩型構造の境界領域に存
在するので、準安定相の層状岩塩型構造を得ることが難
しいためである。
な操作により、空気中で焼成して、効率よく準安定相の
層状岩塩型構造化合物を含むリチウム−マンガン酸化物
を得ることが可能なリチウム−マンガン酸化物の製造方
法を提案することである。
るリチウム−マンガン酸化物の製造方法である。 (1) リチウムおよびマンガン原料、またはこれらの
予備処理物をLiMnO2の生成する温度で焼成した
後、急冷することを特徴とするリチウム−マンガン酸化
物の製造方法。 (2) リチウム−マンガン酸化物が層状岩塩型構造化
合物を含むものである上記(1)記載の方法。 (3) 予備処理物が固相反応法による熱処理物、また
は錯体重合法による前駆体である上記(1)または
(2)記載の方法。 (4)急冷が液体窒素による急冷である上記(1)ない
し(3)のいずれかに記載の方法。
物は、層状岩塩型構造化合物のLiMnO2を含むリチ
ウム−マンガン酸化物であり、層状岩塩型構造化合物の
LiMnO2以外に、例えばスピネル型構造化合物のL
iMn2O4等の他の酸化物を含んでいてもよい。
電池材料として利用できる化合物は、層状岩塩型構造系
(LiMnO2)とスピネル構造系(LiMn2O4)で
ある。このうちスピネル構造系のLiMn2O4は、理論
容量は148mAh/gと低いものの、通常の固相反応
法で容易に合成することができる。
nO2を正極とした場合、理論容量は284mAh/g
と高いものの、通常の固相反応法で合成することが困難
であるとされている。また、LiMnO2は層状岩塩型
構造と不規則配列岩塩型構造の境界領域に存在するた
め、通常の固相反応法では準安定相の層状岩塩型構造を
得ることが困難であるが本発明の製造方法によれば容易
に製造することができる。
原料は、最終的に焼成により目的とするリチウム−マン
ガン酸化物を形成できるものであればよく、例えばリチ
ウムおよびマンガンの酸化物、水酸化物、酢酸塩、炭酸
塩、硫酸塩などがあげられ、リチウムのマンガン酸塩な
ども使用できる。これらは製造方法に応じて任意の原料
を用いることができる。
るリチウム−マンガン酸化物の組成比に対応する反応当
量比とされる。すなわちLiMnO2の場合、Li:M
n(原子比)=1:1が反応当量であるが、一方が過剰
になってもよい。この場合、Li:Mn(原子比)=
1:0.5〜1.5、好ましくは1:0.8〜1.2と
するのが好適である。
末状、スラリー状あるいは溶液状で混合し、そのまま焼
成してリチウム−マンガン酸化物を生成させてもよい
が、固相反応法や錯体重合法等による予備処理物を焼成
してリチウム−マンガン酸化物を生成させるのが好まし
い。
の混合物を熱処理して固相で反応させ、予備処理物とし
て熱処理物を生成させ、この予備処理物を焼成して層状
岩塩型構造のLiMnO2を生成させる方法である。固
相反応法の原料には炭酸リチウムおよび炭酸マンガンを
用いるのが最も好ましいが、硝酸リチウム、水酸化リチ
ウムおよび硝酸マンガンでもよく、さらに他の原料も使
用可能である。
ル等により微粒状に粉砕して混合し、電気炉等の加熱装
置において熱処理を行い反応させる。予備処理としての
熱処理は600〜850℃、好ましくは700〜800
℃で、1〜10時間、好ましくは2〜5時間行うのが好
ましい。こうして生成する予備処理物(熱処理物)を粉
砕してペレット状に成形して焼成を行う。
料、錯体形成剤および溶媒を反応させて錯体重合を行
い、予備成形物としての前駆体を生成させ、この予備処
理物を焼成して層状岩塩型構造のLiMnO2を生成さ
せる方法である。錯体重合法は近年、分子または原子レ
ベルでセラミックス前駆体の組成を精密に制御するため
に開発された方法であり、これまでセラミックス粉体の
製造として、イットリウム系およびビスマス系酸化物超
伝導体やチタン酸バリウムなどの誘電体材料の合成方法
へ応用されている。
は異なり、高分子ゲル中に希土類元素や金属元素などの
複数のイオンを均一に分散し、セラミックス構成原子を
錯体に取り込んで高分子化し、加熱によりエステル重合
を促進させ、その高分子の構造的並びを利用して、分子
レベルで均一化することができる。従って、電池正極材
料のような結晶構造がその性能を決定する系では、この
方法が非常に有効である。また、固相反応法やゾルーゲ
ル法とプロセスを比較しても、低温(400から700
℃)で非常に短時間で合成できるため、工業的製造の観
点からも有利である。
マンガン、溶媒としてエチレングリコール、および錯体
形成剤としてカルボン酸を用いるのが好ましい。リチウ
ムおよびマンガン原料には酢酸塩、硫酸塩、炭酸塩その
他の原料を用いてもよい。また、カルボン酸にはDL−
リンゴ酸、クエン酸、マロン酸、酒石酸、コハク酸など
を用いることができる。有機溶媒にはエチレングリコー
ルの他に、ジエチレングリコール、トリエチレングリコ
ールなどを用いてもよい。
形成剤の使用量はLi+Mnとの錯体反応当量に実質的
に相当する量でよい。また、リチウムあるいはマンガン
である金属イオンの濃度はそれぞれ0.01〜1mol
/dm3、好ましくは0.05〜0.2mol/dm3、
水、有機溶媒の重量比は0:100〜30:70、好ま
しくは5:95〜10:90とするのが適当である。
くは140〜160℃で2〜24時間、好ましくは5〜
10時間反応させ、濃縮後350〜600℃、好ましく
は400〜500℃で熱分解することにより、予備処理
物としての前駆体を生成させる。こうして生成する予備
処理物(前駆体)を粉砕してペレット状に成形し、焼成
を行う。
電気炉等の加熱装置において、LiMnO2の生成する
温度に加熱し、焼成を行う。この場合、850〜105
0℃、好ましくは900〜970℃で、1〜50時間、
好ましくは3〜24時間空気中で加熱処理することがで
きる。この焼成によりLiMnO2の結晶化が進行し、
層状岩塩型構造化合物が生成する。焼成温度が850℃
未満ではスピネル型構造化合物が生成する。焼成温度が
970℃を超える場合もスピネル型構造化合物が生成す
るが、層状岩塩型構造化合物も生成するので、純度が問
題でなければ970℃を超える焼成も可能である。
成物を急冷することにより、製品としての層状岩塩型構
造のLiMnO2を含むリチウム−マンガン酸化物を得
る。ここで焼成物を空気中で自然放冷ないし徐冷を行う
と、焼成により生成したLiMnO2の結晶構造が変化
してスピネル型その他の構造の化合物が生成するため、
この段階での冷却時間は重要である。冷却時間は10秒
以内に100℃以下、好ましくは室温以下に冷却するの
が好ましい。このような冷却時間とするためには液体窒
素で冷却を行うのが好ましい。
化物は、層状岩塩型構造化合物であるLiMnO2を含
む酸化物であり、リチウム電池、特に2次電池の正極材
料として利用するのに適しているが、他の用途に利用す
ることも可能である。上記のリチウム−マンガン酸化物
を正極材料としたリチウム2次電池のインサーション反
応は次の(1)式で起こり、(2)式で示されるスピネ
ル型化合物(LiMn2O4)に比べて起電力、エネルギ
ー密度が高い。
ン原料、またはこれらの予備処理物をLiMnO2の生
成する温度で焼成した後急冷するようにしたので、簡単
な操作により、空気中で焼成して、効率よく準安定相の
層状岩塩型構造化合物を含むリチウム−マンガン酸化物
を得ることが可能である。
態について説明する。
ンガンをモル比(Li:Mn)が1:1となるように秤
量し、粉砕状態で混合する。これを600℃から850
℃の範囲で2〜5時間、電気炉において空気中で熱処理
して固相反応させる。熱処理後、粉砕し、これをペレッ
ト状に成形して、900から1050℃の範囲で3〜2
4時間焼成し、焼成後、液体窒素中にペレットを入れて
急冷し、リチウム−マンガン酸化物を製造する。
ンガンをモル比(Li:Mn)が、1:1となるように
混合し、カルボン酸をこれらと等モルになるように添加
して水に溶解する。これにエチレングリコールを添加し
てリチウムおよびマンガンイオンの濃度がそれぞれ0.
01〜1mol/dm3となるように調整する。ここ
で、水とエチレングリコールの混合比は重量比が5:9
5から30:70の範囲とする。
60℃で還流しながら2時間から24時間反応させる
と、褐色の均一溶液が得られる。褐色溶液を200℃以
上で加熱し、エチレングリコールが十分除去されるまで
濃縮する。これを電気炉中、350℃で熱分解すること
により前駆体物質が得られる。熱分解温度は350℃か
ら600℃までの範囲とする。その後、ペレットに成形
し、700℃から1050℃の範囲で2〜24時間空気
中で熱処理し焼成後、液体窒素でペレットを急冷し、リ
チウム−マンガン酸化物を製造する。
に、リチウムおよびマンガンイオンをエチレングリコー
ルに分散して沸点近くの温度に加熱すると、リチウムお
よびマンガンイオンはカルボン酸(クエン酸)と配位構
造の錯体を形成する。さらに温度を高めると(4)式に
示すように、エチレングリコールの蒸発と共にカルボン
酸とエチレングリコールの水酸基がエステル縮合して高
分子重合体が生成する。この重合体を熱分解することに
より前駆体が得られる。
ける電池試験は次のようにして行った。
うにして作製した。活物質、導電性アセチレンブラッ
ク、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン(PT
FE)を重量比85:10:5の割合で混合した。作製
方法を以下に示す。 1)活物質(0.5g)とアセチレンブラック(0.0
6g)を乳鉢で混合する。 2)これにPTFE(0.03g)を加えて混合する。 3)ゴム状になった物質をガラス板上で、Tiメッシュ
(桂田グレイチング製、15mm×20mm)に均一に
塗り込む。
造を図1に示す。電池の構成は以下の通りである。電池
外装板1と電極のショートを防ぐためにテフロンシート
2を用いている。テフロンフィルム3は電解液の洩れを
防ぐために用いている。セパレーター6は析出した金属
リチウムが正極との間でショートさせないために用い、
正極から負極までの間の部品は負極側のステンレススプ
リング12によって圧着している。作製手順を以下に示
す。
ンシート2を置き、その上にテフロンフィルム3、電極
取出し用のステンレスプレート4の順に置く。 2)正極活物質5をステンレスプレート4の中央部に置
き、電解液をしみ込ませる。電解液にはリチウムペース
ト(富山薬品工業(株)製、PD9、1mol/d
m3、LiClO4−プロピレンカーボネート(PC)/
ジメトキシエタン(DME)(50:50vol%))
を用いた。 3)その上にセパレーター6を置き、その上にはテフロ
ンフィルム7を置く。セパレーターにはポリプロピレン
シート(ヘキストジャパン社製、セルガード)を用い
た。 4)テフロンプレート8を置いた後、ガラスフィルター
9を置き、再び電解液を添加した。 5)テフロンフィルム13を置き、ガラスフィルター9
に負極の金属リチウム10を置く。負極には正極と同じ
程度の大きさのリチウムシート(旭東金属工業社製、2
0mm×15mm×0.1mm)を用いた。 6)金属リチウム10にステンレスプレート11および
ステンレススプリング12を置く。 7)ステンレススプリング12の上にテフロンフィルム
13を置き、電極取出し用のステンレスプレート14を
置く。 8)テフロンフィルム15、テフロンシート16および
ステンレス外装板17を置き、ねじ18を締める。 これらの作業はアルゴン雰囲気内のグローブボックス内
で行った。電池の充放電試験は、セル(50×50×2
5mm)を組立て後、12時間以上を放置して電池内部
が安定してから行った。
量、サイクル性能およびリチウムイオンのインサーショ
ン反応の過程を調べるために、組み立てた2次電池を充
放電装置(北斗電工製、H201B)を用いて種々の電
流密度(0.1〜0.5mA/cm2)で2.0から
4.5Vの範囲で充放電を行った。測定電圧の範囲は充
放電によって得られた電圧曲線をもとに電解液の電離電
圧を考慮に入れて決定した。測定は25℃の大気中で行
った。また、各サイクルの終了後に電池内部を安定させ
るために3時間休止した。
n)が1:1となるように秤量し、乳鉢で良く混合し
た。これを700℃で3時間、電気炉で熱処理して反応
させた。熱処理後粉砕し、これをペレット状に成形し
て、900℃から1050℃の範囲で10時間以上焼成
し、焼成液、液体窒素中にペレットを入れて冷却時間が
10秒以内で20℃以下となるように急冷し、リチウム
−マンガン酸化物を製造した。
様に試験した。
ム−マンガン酸化物のX線回折図を図2に示す。図2
(a)の結果から、実施例1においては、Li:Mn
(モル比)=1:1のリチウム−マンガン酸化物LiM
nO2のみが生成したことを示している。一方、図2
(b)より比較例1においては、LiMnO2の他に、
LiMn2O4等の不純物が混在することが明らかであ
る。
で20℃以下に冷却)した場合(比較例2)、および水
で冷却(冷却時間約2分で20℃以下に冷却)した場合
(比較例3)を行いX線回折により生成物を同定した。
同定の結果から、LiMnO2とLiMn2O4の混合物
であることが明らかとなった。
n)が1:1となるように混合し、カルボン酸としてク
エン酸またはリンゴ酸をこれらと等モルになるように添
加して水に溶解した。これにエチレングリコールを添加
して0.01〜1mol/dm3濃度に調整した。ここ
で、水とエチレングリコールの混合比は重合比で10:
90とした。上記の濃度に調製した原料溶液を大気中、
140℃から160℃で還流しながら6時間反応させる
と、褐色の均一溶液が得られた。褐色溶液をホットスタ
ーラーを用いて200℃以上に加熱し、エチレングリコ
ールが十分除去されるまで濃縮した。これを電気炉中、
350℃で熱分解することにより前駆体物質を得た。そ
の後、ペレット(10mmφ×3mm)に成形し、空気
中で700℃から1050℃の範囲で3〜24時間焼成
した。焼成後、液体窒素中にペレットを入れて、冷却時
間10秒以内で20℃以下となるように急冷し、リチウ
ム−マンガン酸化物を得た。
様に試験した。
合法で合成したリチウム−マンガン酸化物前駆体のDT
A−TG曲線図を図3に示す。図3の結果からDTA
(示差熱分析)曲線では室温から200℃までに吸熱ピ
ークが見られ、200℃から500℃に発熱ピークが見
られる。これらのピークはTG(熱重量分析)曲線にお
いて重量減少を伴っているので、吸熱ピークは前駆体中
の結合水の分解によるものと考えられる。また、発熱ピ
ークは前駆体中の有機物による分解、燃焼によるものと
考えられる。この有機物は配位したカルボン酸およびエ
チレングリコールなどが考えられる。
−マンガン酸化物のX線回折図を図4に示す。図4の結
果より、焼成温度800℃(比較例4)ではスピネル型
構造のLiMn2O4が生成しているが、900℃以上で
は層状岩塩型構造のLiMnO2が生成している。10
00℃以上ではLiMnO2とともにLiMn2O4も生
成する。また950℃で熱処理したときに、単相のLi
MnO2が得られるが、熱処理時間が短い場合はLiM
nO2の他にLiMn2O4が生成するため、20時間の
熱処理を行うのが好ましいことがわかる。
20℃以下に冷却)した場合(比較例5)および水で冷
却(冷却時間約2分で20℃以下に冷却)した場合(比
較例6)を行いX線回折により生成物を同定した。図5
に水で冷却した比較例6のX線回折図を示した。図5よ
り、明らかにLiMnO2とLiMn2O4の混合物であ
ることがわかる。自然冷却した比較例5もほぼ同様の結
果が得られた。
として同様に焼成を行い、自然放冷し、LiMn2O4を
製造した。そのX線回折図を図6に示す。図6より、空
気中、アルゴン中いずれもスピネル型構造のLiMn2
O4が生成していることがわかる。
形から求めたこれらの格子定数を表1に示す。この結果
から、LiMn2O4は理論値(JCPDSカード)より
かなり大きくなっている。このことは、得られたLiM
n2O4の結晶格子が大きく、酸素欠損型の結晶であるも
のと考えられる。一方、LiMnO2は理論値とよく一
致していることがわかる。
理条件で合成したLiMnO2およびLiMn2O4の放
電曲線図を図7および図8に示す。この結果から、Li
MnO2では充放電中の結晶構造が不安定なために、4
Vおよび3Vにプラトーが2ヶ所見られる。これらの放
電容量は2Vまで放電した場合、それぞれ240mAh
/gおよび210mAh/gであった。一方、LiMn
2O4は電気容量が理論容量に近く、プラトー領域は1つ
である。これは、インサーション反応中の結晶構造が安
定なことによる。このときの充放電容量はそれぞれ14
5mAh/gおよび130mAh/gであった。いずれ
も、錯体重合法で合成した方が放電容量は大きいことが
わかる。
ンの挙動を図9および図10のインサーション反応図に
示す。これらの電池の不可逆容量(ΔX)は、0.22
と0.11であった。
構成図である。
X線回折図である。
曲線図である。
ある。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 リチウムおよびマンガン原料、またはこ
れらの予備処理物をLiMnO2の生成する温度で焼成
した後、急冷することを特徴とするリチウム−マンガン
酸化物の製造方法。 - 【請求項2】 リチウム−マンガン酸化物が層状岩塩型
構造化合物を含むものである請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 予備処理物が固相反応法による熱処理
物、または錯体重合法による前駆体である請求項1また
は2記載の方法。 - 【請求項4】 急冷が液体窒素による急冷である請求項
1ないし3のいずれかに記載の方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9139795A JPH10330118A (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 急冷法によるリチウム−マンガン酸化物の製造方法 |
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Applications Claiming Priority (1)
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JP9139795A JPH10330118A (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 急冷法によるリチウム−マンガン酸化物の製造方法 |
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JP9139795A Pending JPH10330118A (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 急冷法によるリチウム−マンガン酸化物の製造方法 |
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