JP2000169150A - スピネル型リチウムマンガン複合酸化物及びリチウム二次電池 - Google Patents

スピネル型リチウムマンガン複合酸化物及びリチウム二次電池

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JP2000169150A
JP2000169150A JP10343060A JP34306098A JP2000169150A JP 2000169150 A JP2000169150 A JP 2000169150A JP 10343060 A JP10343060 A JP 10343060A JP 34306098 A JP34306098 A JP 34306098A JP 2000169150 A JP2000169150 A JP 2000169150A
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oxygen
manganese
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Koji Hattori
康次 服部
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温でもマンガンの平均価数を3.5以上に
保つことができ、充放電容量が大きく、特に高温での充
放電サイクル特性に優れた、リチウム二次電池の正極活
物質に用いるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物、
及びこれらの特性を備えたリチウム二次電池を提供す
る。 【解決手段】 Li,Mn及びOからなるスピネル型リ
チウムマンガン複合酸化物は、一般式LixMn2y
表わしたとき、リチウム量x、酸素量yがそれぞれ一定
の条件式を満足する範囲にある。また、リチウム二次電
池は、正極に上記のスピネル型リチウムマンガン複合酸
化物が含まれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
の正極活物質に用いるスピネル(AB24)型リチウム
マンガン複合酸化物、及びそれを用いたリチウム二次電
池に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器のポータブル化、コード
レス化が急速に進められている。これらの電子機器の電
源として、小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次
電池への要求が強まっている。そして、これらの要求を
満たす二次電池として、非水電解液タイプのリチウム二
次電池が実用化されている。
【0003】この非水電解液タイプのリチウム二次電池
に使用される正極活物質には、例えばニッケル酸リチウ
ム(LiNiO2)、コバルト酸リチウム(LiCo
2)、マンガン酸リチウム(LiMn24)等のリチ
ウム含有複合酸化物があり、このうち、すでにコバルト
酸リチウム(LiCoO2)とマンガン酸リチウム(L
iMn24)が実用化されている。
【0004】そして、コバルトより資源的に豊富なマン
ガンを用いたマンガン酸リチウム(LiMn24)を正
極活物質として用いたリチウム二次電池では、マンガン
サイトの一部をリチウムで置換したLi(Mn2-x
x)O4で表わされる正極活物質や、リチウムとマンガ
ンの原子比を一定範囲とするLi1+xMn2-x4で表わ
される正極活物質を用いることにより、初期放電容量が
大きく、かつ、充放電を繰り返しても放電容量が低下し
ないサイクル特性に優れた二次電池を得ることができる
とされている(特開平7−282798号公報,特開平
9−241024号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の正極活物質を用いたリチウム二次電池は、室温付近で
充放電サイクルを行う場合は容量の大きな劣化は見られ
ないが、室温よりも高い60℃程度で充放電サイクルを
行うと、極端に容量が劣化するという現象が見られた。
【0006】また、下記に示す、スピネル型マンガン酸
リチウムの4V領域の理論容量を求める式(1)で示さ
れるように、このLi(Mn2-xLix)O4で表わされ
るマンガン酸リチウムは、リチウムによるマンガンサイ
トの置換量xが大きくなるほど容量が減少する。例え
ば、置換量xが0.33の場合、このマンガン酸リチウ
ムは、Li(Mn1.67Li0.33)O4=Li1.33Mn
1.674=Li4Mn512となる。そして、このとき、
マンガンの平均価数が4.0となって全く充電できなく
なるので、容量が0mAh/gとなってしまう。
【0007】 理論容量=(1−3×x)・(A×E/3.6)/M ……… 式(1) x:リチウムによるマンガンサイトの置換量 A:アボガドロ数 E:電気素量 M: Li(Mn2-xLix)O4の分子量 ところで、本発明者らが実験したところ、マンガンサイ
トをリチウムで置換したマンガン酸リチウムは、上記の
式で求められる理論容量値より大きな容量が得られた。
【0008】本発明者らは、リチウムとマンガンのモル
比の定量とマンガンの滴定を行って、正確にリチウム、
マンガン及び酸素のそれぞれのモル比を計算した。その
結果、式Li(Mn2-xLix)O4で表わされるマンガ
ン酸リチウムは、実際には酸素欠陥を持ったLi(Mn
2-xLix)O4-δの組成であることがわかった。
【0009】このような酸素欠陥を持つマンガン酸リチ
ウムとしては、Li(Mn2-xLix)O4-δ(ただし、
0≦x≦0.02,−0.015≦δ≦0.012)が
すでに開示されている(特開平10−21914号公
報)。そして、従来の一般的な固相法によるマンガンサ
イトをリチウムで置換したマンガン酸リチウムの合成で
は、このような酸素欠陥を持ったLi(Mn2-xLix
4-δの組成のマンガン酸リチウムが生じ、この酸素欠
陥量が多くなるほど充放電サイクル特性の劣化が大きく
なることが示されている。
【0010】上記の酸素欠陥の範囲を限定したマンガン
酸リチウムは、 室温付近で充放電させた場合にそのサ
イクル特性は優れていたが、室温より高い温度(60
℃)で充放電させた場合はサイクル特性の急激な劣化が
見られた。
【0011】本発明者らは、高温で充放電させた上記マ
ンガン酸リチウムについて、充放電サイクル特性が劣化
する前後の酸素欠陥量に着目して鋭意研究したところ、
このようなマンガン酸リチウムは高温において酸素欠陥
量が増加していることを突き止めた。
【0012】上記のマンガン酸リチウムは、その合成段
階でマンガンの平均価数を3.505以上としているた
め、室温付近ではヤーンテラー効果による充放電サイク
ル特性の劣化は見られない。
【0013】しかしながら、これを高温で充放電させた
場合は、正極活物質が還元されて酸素欠陥が生じ、その
電荷を補償するためにマンガンのMn4+がMn3+に還元
され、マンガンの平均価数が3.5より小さくなってし
まう。そして、平均価数が3.5未満になると、ヤーン
テラー歪みにより、立方晶から正方晶への相変化が生
じ、これに伴い大きな体積変化を起こし、結果として充
放電サイクル特性が劣化することになる。
【0014】本発明の目的は、スピネル型リチウムマン
ガン複合酸化物の上記問題を解決し、高温においてもマ
ンガンの平均価数を3.5以上に保つことができ、充放
電容量が大きく、特に高温での充放電サイクル特性に優
れた、リチウム二次電池の正極活物質に用いるスピネル
型リチウムマンガン複合酸化物、及びこれらの特性を備
えたリチウム二次電池を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項1にお
いて、Li,Mn及びOからなるスピネル型リチウムマ
ンガン複合酸化物は、一般式LixMn2yで表わした
とき、x≧1.04であり、かつ、yは次の各式を満足
する範囲にあることを特徴とする。
【0016】y≧0.667×x+3.333 y≦1.333×x+2.667 y<0.333×x+3.783 また、請求項2において、Li,Mn及びOからなるス
ピネル型リチウムマンガン複合酸化物は、一般式Lix
Mn2yで表わしたとき、x≧1.04であり、かつ、
yは次の各式を満足する範囲にあることを特徴とする。
【0017】y≧x+3 y≦1.333×x+2.667 y<0.333×x+3.783 また、請求項3において、Li,Mn及びOからなるス
ピネル型リチウムマンガン複合酸化物は、一般式Lix
Mn2yで表わしたとき、x≧1.04であり、かつ、
yは次の各式を満足する範囲にあることを特徴とする。
【0018】y>1.333×x+2.655 y≦1.333×x+2.667 y<0.333×x+3.783 また、請求項4において、リチウム二次電池は、正極に
上記いずれかのスピネル型リチウムマンガン複合酸化物
が含まれていることを特徴とする。
【0019】このように、スピネル型リチウムマンガン
複合酸化物のリチウム量と酸素量を上記の各条件を満足
するようにしたので、次のような作用効果を奏すること
ができる。すなわち、リチウム二次電池の正極活物質に
大きな放電容量が得られる。また、材料の耐還元性が高
められて高温で充放電させた場合に酸素欠陥の発生が抑
制され、マンガンにより酸素欠陥から生じる電荷補償を
する必要がなくなる。そのため、マンガンの平均価数を
ヤーンテラー歪みが起こらない値(3.5)以上に保つ
ことができ、ヤーンテラー歪みによる相転移に伴う大き
な体積変化が起こりにくくなる。したがって、特に高温
での充放電サイクル特性に優れたリチウムマンガン複合
酸化物を得ることができる。
【0020】このようなリチウムマンガン複合酸化物を
正極活物質として用いることにより、上記の優れた特性
を有するリチウム二次電池を得ることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例にもとづき説明する。
【0022】(実施例)始めに、固相法によりマンガン
酸リチウムを合成するため、これを構成するリチウムと
マンガンの出発原料である、硝酸リチウムと電解二酸化
マンガンを準備した。
【0023】続いて、この硝酸リチウムと電解二酸化マ
ンガンを、リチウムとマンガンのモル比がそれぞれ1.
03:2から1.2:2の範囲になるように、それぞれ
正確に秤量分取して容器に入れ、ボールミルで粉砕・混
合した後、800℃で2時間焼成し、複合酸化物の粉末
を得た。
【0024】そして、酸素欠陥量を調整するために、得
られた粉末をアルミナ製の匣に入れ、酸素濃度を0〜2
5%の範囲でそれぞれ調整した雰囲気炉を用い、600
〜650℃で再熱処理を行い、スピネル型のマンガン酸
リチウムを得た。
【0025】次に、比較的、酸素欠陥量が少ないマンガ
ン酸リチウムを、固相法に代わり、噴霧熱分解法を用い
て合成した。
【0026】まず、マンガン酸リチウムを構成する、リ
チウムとマンガンの出発原料である、硝酸リチウムとぎ
酸マンガンを準備した。
【0027】この硝酸リチウムとぎ酸マンガンを、リチ
ウムとマンガンのモル比を1.03:2から1.2:2
の範囲になるように、それぞれ正確に秤量分取して容器
に入れ、これに水1000ミリリットルを加えた後、攪
拌して溶解させた。
【0028】次に、この溶液を700℃に調整した縦形
熱分解炉内へ、1200ミリリットル/時間の速度でノ
ズルから霧状に吹き込んで熱分解させ、複合酸化物の粉
末を得た。酸素欠陥量を調整するために、得られた粉末
をアルミナ製の匣に入れ、酸素濃度が20〜100%に
調整された雰囲気炉を用い、600〜700℃で再熱処
理を行い、スピネル型のマンガン酸リチウムを得た。
【0029】次に、これらのマンガン酸リチウムの酸素
量を次のようにして求めた。すなわち、リチウムの定量
を原子吸光法により、マンガンの定量をEDTAキレー
ト滴定により、また、マンガンの価数をヨードメトリー
法により、それぞれ測定して酸素欠陥量を求め、これを
もとに計算で酸素量を求めた。
【0030】このようにして得られたスピネル型のマン
ガン酸リチウムを表1に示す。なお、表中、試料番号に
*印を付したものは本発明の範囲外である。
【0031】
【表1】
【0032】これらの各マンガン酸リチウムの粉末を正
極活物質として、リチウム二次電池を作製した。
【0033】まず、各マンガン酸リチウムの活物質粉
末、導電剤としてのアセチレンブラック、及び結着剤と
してのポリフッ化ビニリデンを、それぞれ重量比で10
0:8:8の割合で混合した。そして、この混合物に、
N−メチルピロリデンを添加して正極活物質のペースト
を作製し、このペーストをアルミ箔に塗布して乾燥した
後、加圧ロール成形してリチウム二次電池用の正極を得
た。
【0034】図1に示すリチウム二次電池の断面図にあ
るように、正極3と負極4としてのリチウム金属とを、ポ
リプロピレン製のセパレータ5を介して、正極3のアル
ミ箔が外側になるようにして重ねた。次に、正極3を下
にしてステンレス製の正極缶1内に収容し、セパレータ
5には電解液を染み込ませた。なお、電解液としては、
エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合
溶液に、フッ化リン酸リチウムを溶解させたものを用い
た。正極缶1の口を絶縁パッキング6を介してステンレ
ス製の負極板2で封止し、表1に示すスピネル型のマン
ガン酸リチウムを正極活物質に用いたリチウム二次電池
をそれぞれ完成させた。
【0035】次に、得られた各リチウム二次電池につい
て、充放電電流密度0.5mA/cm2、充電終止電圧
4.3V、放電終止電圧3.0V、及び温度60℃の条
件下で100サイクルの充放電試験を行い、リチウム二
次電池の試験前の初期の放電容量と、初期と100サイ
クル後の各容量を比較した容量変化率(充放電サイクル
特性)を求めた。その結果を表2に示す。併せて比較の
ため、本発明の各請求項に関わるリチウム量xを変数と
する酸素量yの条件式の右辺の値も示す。なお、表中、
試料番号に*印を付したものは本発明の範囲外であり、
また、試料番号は表1と符合させてある。
【0036】
【表2】
【0037】一般式LixMn2yで表わされるスピネ
ル型マンガン酸リチウムは、固相法や噴霧熱分解法によ
り合成される。そして、表1,表2中の試料番号2〜
5,試料番号9〜12,試料番号16〜19,試料番号
23〜26,試料番号32〜34,試料番号41に示す
ように、リチウム量xと酸素量yが、x≧1.04、か
つ、y≧0.667×x+3.333、y≦1.333
×x+2.667、y<0.333×x+3.783の
各条件を満足するものを正極活物質としたリチウム二次
電池は、酸素欠陥が抑えられ、また、放電容量が120
mAh/g以上と十分に大きく、しかも、高温における
充放電サイクル時の容量劣化率が10%未満に低く抑え
られていた。
【0038】これに対し、これらリチウム量xと酸素量
yの上記各条件のうち、x≧1.04とy≧0.667
×x+3.333の少なくとも一方を満足しないもの、
すなわち、試料番号1,8,15,22,29,30,
31,36,37,38,39,40は、高温における
充放電サイクル時に10%以上の容量劣化を起こしてい
た。
【0039】また、y<0.333×x+3.783の
条件を満足しないもの、すなわち、試料番号6,7,1
3,14,20,21,27,28,35,42は充放
電サイクル時の放電容量が、通常、二次電池として必要
とされる120mAh/gに満たなかった。
【0040】なお、本発明の範囲外でもあり、表1,表
2中の試料には示していないが、固相法や噴霧熱分解法
で合成したマンガン酸リチウムの場合、酸素量yが1.
333×x+2.667を超えるものは、どのような条
件で再熱処理しても得ることはできなかった。
【0041】また、合成したマンガン酸リチウムのう
ち、x≧1.04で、かつ、y≧x+3,y≦1.33
3×x+2.667,y<0.333×x+3.783
の各条件を満足するものを正極活物質に用いたリチウム
二次電池は、上記のx≧1.04、かつ、y≧0.66
7×x+3.333、y≦1.333×x+2.66
7、y<0.333×x+3.783の各条件を満足す
る同じリチウム量xを有するものよりも充放電サイクル
時の容量劣化率が抑制されていた。
【0042】すなわち、リチウム量xが1.040のと
き、試料番号23は容量劣化率が8%であったのに対
し、試料番号2,9,16は容量劣化率が7%以下に抑
制されていた。また、リチウム量xが1.050のと
き、試料番号24は容量劣化率が6%であったのに対
し、試料番号3,10,17は容量劣化率が5%以下に
抑制されていた。また、リチウム量xが1.070のと
き、試料番号32は容量劣化率が8%であったのに対
し、試料番号4,11,18,25は容量劣化率が6%
以下に抑制されていた。また、リチウム量xが1.10
0のとき、試料番号33は容量劣化率が7%であったの
に対し、試料番号5,12,19,26は容量劣化率が
5%以下に抑制されていた。また、リチウム量xが1.
150のとき、試料番号41は容量劣化率が8%であっ
たのに対し、試料番号34は容量劣化率が7%以下に抑
制されていた。
【0043】さらに、試料番号2〜5,9〜12,19
に示すように、マンガン酸リチウムが、x≧1.04
で、かつ、y>1.333×x+2.655,y≦1.
333×x+2.667,y<0.333×x+3.7
83の各条件を満足するものを正極活物質に用いたリチ
ウム二次電池は、充放電サイクル時の容量劣化率が3〜
4%まで抑制されていた。
【0044】次に、一般式LixMn2yで表わされる
スピネル型マンガン酸リチウムのリチウム量xを横軸
に、また、酸素量yを縦軸にとった図2〜4を用いて、
本発明の各請求項においてリチウム量xと酸素量yをそ
れぞれ限定した理由について改めて説明する。
【0045】図2は、本発明の請求項1に掲げるスピネ
ル型マンガン酸リチウムのリチウム量xと酸素量yの範
囲を示している。
【0046】線11上及びその右側の範囲は実験で確か
められたもので、高温における優れた充放電サイクル特
性が得られるリチウム量xを示している。これにより、
一般式LixMn2yで表わされるスピネル型マンガン
酸リチウムの条件式、x≧1.04を得た。
【0047】また、線12上及びその上側の範囲は実験
で確かめられたもので、固相法や噴霧熱分解法で合成さ
れ、高温における優れた充放電サイクル特性が得られる
リチウム量xと酸素量yを示している。これにより、一
般式LixMn2yで表わされるスピネル型マンガン酸
リチウムの条件式、y≧0.667×x+3.333を
得た。
【0048】また、線13上及びその下側の範囲は理論
式から計算で求められたもので、高温でも酸素欠陥が生
じない理想的なマンガン酸リチウムが得られるリチウム
量xと酸素量yを示している。これにより、一般式Li
xMn2yで表わされるスピネル型マンガン酸リチウム
の条件式、y≦1.333×x+2.667を得た。
【0049】また、線14の下側の範囲(但し、線14
上は含まれない。)は理論式から計算で求められたもの
で、理論上、放電容量が二次電池として必要とされる1
20mAh/gが得られるリチウム量xと酸素量yを示
している。これにより、一般式LixMn2yで表わさ
れるスピネル型マンガン酸リチウムの条件式、y<0.
333×x+3.783を得た。
【0050】線11〜14の各線で囲まれた範囲(但
し、線14上は含まれない。)は、請求項1の一般式L
xMn2yで表わされるスピネル型リチウムマンガン
複合酸化物の四つの条件を満足させるリチウム量xと酸
素量yを示している。
【0051】次に、図3は、本発明の請求項2に掲げる
スピネル型マンガン酸リチウムのリチウム量xと酸素量
yの範囲を示している。
【0052】線15上及びその上側の範囲は実験で確か
められたもので、リチウム量が同じでありながら充放電
サイクル特性がより優れているリチウム量xと酸素量y
を示している。これにより、一般式LixMn2yで表
わされるスピネル型マンガン酸リチウムの条件式、y≧
x+3を得た。
【0053】線11及び線13〜15の各線で囲まれた
範囲(但し、線14上は含まれない。)が、請求項2の
一般式LixMn2yで表わされるスピネル型リチウム
マンガン複合酸化物の四つの条件を満足させるリチウム
量xと酸素量yを示している。
【0054】図4は、本発明の請求項3に掲げるスピネ
ル型マンガン酸リチウムのリチウム量xと酸素量yの範
囲を示している。
【0055】線16より上側の範囲(但し、線16上は
含まれない。)は実験から確かめられたもので、高温に
おける最も優れた充放電サイクル特性が得られるリチウ
ム量xと酸素量yを示している。すなわち、リチウム量
xと酸素量yがこの範囲にあることにより、高温におい
て最も酸素欠陥が少なくなり、ヤーンテラー相転移が起
こりにくくなる。これにより、一般式LixMn2y
表わされるスピネル型マンガン酸リチウムの条件式、y
>1.333×x+2.655を得た。
【0056】線11,及び線13,14,16の各線で
囲まれた範囲(但し、線14上,及び線16上は含まれ
ない。)が、請求項3の一般式LixMn2yで表わさ
れるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物における四
つの条件を満足させるリチウム量xと酸素量yを示して
いる。
【0057】以上のように、本発明は、一般式Lix
2yで表わされるスピネル型リチウムマンガン複合酸
化物の組成において、リチウム量と酸素量を限定するこ
とにより、充放電容量が大きく、特に高温での充放電サ
イクル特性に優れた、スピネル型リチウムマンガン複合
酸化物を得ることができる。
【0058】
【発明の効果】本発明によれば、高温でもマンガンの平
均価数を一定(3.5)以上に保つことができるので、
充放電容量が大きく、特に高温での充放電サイクル特性
に優れたスピネル型リチウムマンガン複合酸化物を得る
ことができる。
【0059】そして、このようなスピネル型リチウムマ
ンガン複合酸化物を正極活物質に用いることにより、上
記の優れた特性を備えたリチウム二次電池を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】リチウム二次電池の構造の一例を示す断面図で
ある。
【図2】本発明の請求項1に係るスピネル型リチウムマ
ンガン複合酸化物のリチウム量と酸素量の範囲を示すグ
ラフである。
【図3】本発明の請求項2に係るスピネル型リチウムマ
ンガン複合酸化物のリチウム量と酸素量の範囲を示すグ
ラフである。
【図4】本発明の請求項3に係るスピネル型リチウムマ
ンガン複合酸化物のリチウム量と酸素量の範囲を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
1 正極缶 2 負極板 3 正極 4 負極 5 セパレータ 6 絶縁パッキング

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Li,Mn及びOからなるスピネル型リ
    チウムマンガン複合酸化物において、一般式LixMn2
    yで表わしたとき、x≧1.04であり、かつ、yは
    次の各式を満足する範囲にあることを特徴とするスピネ
    ル型リチウムマンガン複合酸化物。 y≧0.667×x+3.333 y≦1.333×x+2.667 y<0.333×x+3.783
  2. 【請求項2】 Li,Mn及びOからなるスピネル型リ
    チウムマンガン複合酸化物において、 一般式LixMn2yで表わしたとき、x≧1.04で
    あり、かつ、yは次の各式を満足する範囲にあることを
    特徴とするスピネル型リチウムマンガン複合酸化物。 y≧x+3 y≦1.333×x+2.667 y<0.333×x+3.783
  3. 【請求項3】 Li,Mn及びOからなるスピネル型リ
    チウムマンガン複合酸化物において、 一般式LixMn2yで表わしたとき、x≧1.04で
    あり、かつ、yは次の各式を満足する範囲にあることを
    特徴とするスピネル型リチウムマンガン複合酸化物。 y>1.333×x+2.655 y≦1.333×x+2.667 y<0.333×x+3.783
  4. 【請求項4】 正極に、請求項1,2または3記載のスピ
    ネル型リチウムマンガン複合酸化物が含まれていること
    を特徴とするリチウム二次電池。
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