(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム（Ｌｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含むリチウムマンガンシリケート系化合物からなる芯部と、耐フッ酸化合物およびフッ素吸収化合物から選ばれる少なくとも一種並びにカーボン系材料からなり該芯部を覆う被覆層と、を含み、
該被覆層は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、シリコン、ランタン、セリウムおよびこれらの酸化物から選ばれる少なくとも一種の該フッ素吸収化合物を含むことを特徴とするリチウムマンガンシリケート複合体。
【請求項２】
前記耐フッ酸化合物は、スカンジウム酸化物、イットリウム酸化物、ランタン酸化物、セリウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、アルミニウム酸化物から選ばれる少なくとも一種からなる請求項１に記載のリチウムマンガンシリケート複合体。
【請求項３】
リチウム（Ｌｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含むリチウムマンガンシリケート系化合物からなる芯部と、耐フッ酸化合物およびフッ素吸収化合物から選ばれる少なくとも一種並びにカーボン系材料からなり該芯部を覆う被覆層と、を含み、
該被覆層は、ジルコニウム酸化物からなる該耐フッ酸化合物を含むことを特徴とするリチウムマンガンシリケート複合体。
【請求項４】
前記カーボン系材料は、有機物の炭化により得られた炭素骨格を持つカーボン材料および／または導電性カーボンからなる請求項１〜請求項３の何れか一つに記載のリチウムマンガンシリケート複合体。
【請求項５】
前記耐フッ酸化合物の質量は、前記リチウムマンガンシリケート複合体全体の質量の５％以下である請求項１〜請求項４の何れか一つに記載のリチウムマンガンシリケート複合体。
【請求項６】
前記フッ素吸収化合物の質量は、前記リチウムマンガンシリケート複合体全体の質量の５％以下である請求項１〜請求項５の何れか一つに記載のリチウムマンガンシリケート複合体。
【請求項７】
前記カーボン系材料の質量は、前記リチウムマンガンシリケート複合体全体の質量の１〜４０％である請求項１〜請求項６の何れか一つに記載のリチウムマンガンシリケート複合体。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一つに記載のリチウムマンガンシリケート複合体を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用正極。
【請求項９】
請求項８に記載の非水電解質二次電池用正極を構成要素として含む非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質の正極材料として有用なリチウムマンガンシリケート複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解質二次電池の一種として、リチウム二次電池およびリチウムイオン二次電池が知られている。これらの非水電解質二次電池は、小型でエネルギー密度が高く、ポータブル電子機器の電源として広く用いられている。非水電解質二次電池の代表的な正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）が知られている。しかしこの種の材料もさらなる性能向上のためには種々の問題があり、その改良が強く求められている。
【０００３】
例えば、ＬｉＣｏＯ２の容量をより多く取り出すために充電電圧を４．２Ｖより高くすると、サイクル特性が著しく低下する課題があった。これはＬｉＣｏＯ２の結晶構造が不安定になることに起因すると報告されている。この課題を解決するために、酸化物（ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｂ２Ｏ３等）によるＬｉＣｏＯ２の表面被覆が検討されてきた（例えば、非特許文献１参照）。その結果４．２Ｖ以上まで充電しても構造が安定し、サイクル特性が改善された。
【０００４】
一方、ＬｉＭｎ２Ｏ４については、高温充放電サイクル時における３価Ｍｎの溶出に伴う結晶性の低下、電解液の分解などの課題がある。これらを抑制するために、２価元素あるいは３価元素によるＭｎの置換や、酸化物（Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯなど）によるＬｉＭｎ２Ｏ４の表面被覆が検討されてきた。
【０００５】
これらの酸化物系正極活物質については、電子伝導性（導電性）がリチウムマンガンシリケート系の正極活物質に比べて高いため、酸化物で被覆しても、スラリーを作製する際に導電性カーボンを添加すれば、充放電特性に優れる非水電解質二次電池が得られる。
【０００６】
近年、電池材料の高容量化、高安全性、資源量の観点から正極活物質として、リチウムシリケート系化合物が注目されている。リチウムシリケート系化合物は、安価で、資源量の豊富な構成金属元素のみからなるために環境負荷が低く、リチウムイオンの理論充放電容量が高く、かつ高温時に酸素を放出しない材料であることから、次世代リチウムイオン二次電池正極材料として注目されている（例えば、特許文献１〜５参照）。
【０００７】
リチウムシリケート系化合物の一種として、マンガンを含有するもの（リチウムマンガンシリケート系化合物と呼ぶ）が挙げられる。リチウムマンガンシリケート（Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４）は、理論充放電容量が高く（理論容量３３３．２ｍＡｈ/ｇ）、リチウムイオン二次電池用の正極活物質として好ましいと考えられる。しかしその反面、電子導電性が低いという問題があった。さらにリチウムマンガンシリケートを正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池はサイクル特性に劣る問題があった。このため、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池の正極活物質として用いたときに、サイクル特性の低下を抑制し得るリチウムマンガンシリケート系化合物が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２１８３０３号公報
【特許文献２】特開２００７−３３５３２５号公報
【特許文献３】特開２００１−２６６８８２号公報
【特許文献４】特開２００８−２９３６６１号公報
【特許文献５】国際公開２０１０／０８９９３１号
【非特許文献１】Ｊ．Ｃｈｏ，  Ｙ．Ｊ．  Ｋｉｍ，  Ｊ．Ｔ．  Ｋｉｍ，  Ｂ．  Ｐａｒｋ，  Ａｎｇｅｗ．  Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．  Ｅｄ．  ４０  （１８）  （２００１）３３６７．
【非特許文献２】Ｒ．  Ｄｏｍｉｎｋｏ，  Ｍ．  Ｂｅｌｅ，  ａ．  Ｋｏｋａｌｊ，  Ｍ．  Ｇａｂｅｒｓｃｅｋ，  Ｊ．  Ｊａｍｎｉｋ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １７４ （２００７）  ４５７−４６１
【非特許文献３】Ｗｅｎｇａｎｇ  Ｌｉｕ，  Ｙｕｎｈｕａ  Ｘｕ，  Ｒｏｎｇ  Ｙａｎｇ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｌｌｏｙｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ  ４８０  （２００９）  Ｌ１−Ｌ４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、リチウムマンガンシリケート系化合物を含み、かつ、正極材料として用いたときに非水電解質二次電池のサイクル特性の低下を抑制し得る材料、この材料を用いた非水電解質二次電池用正極、およびこの材料を用いた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
リチウムマンガンシリケート系化合物は、導電性が低いため、ＬｉＣｏＯ２やＬｉＭｎ２Ｏ４の場合と同様な酸化物により被覆すると抵抗の増加につながることから、検討されていなかった。さらに、リチウムマンガンシリケート系化合物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池がサイクル特性に劣る理由は、リチウムマンガンシリケート系化合物中のマンガンの結晶構造が充電時に崩れることにあるとされていた（上記の非特許文献２、３参照）。本発明の発明者等は、結晶性の低いマンガンを含有するリチウムマンガンシリケート系化合物を用いているにもかかわらず、サイクル特性に優れるリチウムイオン二次電池があることを見出した。さらに、リチウムマンガンシリケート系化合物に含有されるマンガンが、充電時に溶出することを見出した。そして、本発明の発明者等は、リチウムマンガンシリケート系化合物に対して、カーボン複合化、カーボン被覆さらに耐フッ酸化合物、フッ素吸収化合物などの酸化物あるいは元素を複合化させたリチウムマンガンシリケート複合体を作製し、それを正極活物質に用いることで、リチウムイオン二次電池のサイクル特性低下を抑制できることを見出した。
【００１１】
すなわち、上記課題を解決する本発明のリチウムマンガンシリケート複合体は、リチウム（Ｌｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含むリチウムマンガンシリケート系化合物からなる芯部と、耐フッ酸化合物、フッ素吸収化合物から選ばれる少なくとも一種およびカーボン系材料からなり該芯部を覆う被覆層と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
前記耐フッ酸化合物は、スカンジウム酸化物、イットリウム酸化物、ランタン酸化物、セリウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、アルミニウム酸化物から選ばれる少なくとも一種からなるのが好ましい。
【００１３】
前記フッ素吸収化合物は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、シリコン、ランタン、セリウムおよびこれらの酸化物から選ばれる少なくとも一種からなるのが好ましい。
【００１４】
前記カーボン系材料は、有機物の炭化により得られた炭素骨格を持つカーボン材料および／または導電性カーボンからなるのが好ましい。
【００１５】
上記課題を解決する本発明の非水電解質二次電池用正極は、本発明のリチウムマンガンシリケート複合体を含むことを特徴とする。また、本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水電解質二次電池用正極を構成要素として含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のリチウムマンガンシリケート複合体は、非水電解質二次電池の正極活物質として用いたときにサイクル特性の低下を抑制し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】リチウムマンガンシリケート系化合物を正極活物質に用い、負極にＳｉＯを用いたコイン電池における初回充電後の負極のＳＥＭ像である。
【図２】リチウムマンガンシリケート系化合物を正極活物質に用い、負極にＳｉＯを用いたコイン電池における初回充電後の負極をＥＤＸにより分析した結果を表すグラフである。
【図３】実施例のリチウムマンガンシリケート複合体のＳＥＭ像である。
【図４】実施例のリチウムマンガンシリケート複合体をＥＤＸにより分析した結果を表すグラフである。
【図５】比較例のリチウムマンガンシリケート系化合物のＳＥＭ像である。
【図６】比較例のリチウムマンガンシリケート系化合物をＥＤＸにより分析した結果を表すグラフである。
【図７】実施例のリチウムイオン二次電池の充放電曲線を表すグラフである。
【図８】実施例のリチウムイオン二次電池のサイクル特性を表すグラフである。
【図９】比較例のリチウムイオン二次電池の充放電曲線を表すグラフである。
【図１０】比較例のリチウムイオン二次電池のサイクル特性を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上述したように、本発明の発明者等は、リチウムマンガンシリケート系化合物に含有されるマンガンが、充電時に溶出することを見出した。このことは以下の試験によって裏づけられる。
【００１９】
＜マンガン溶出の確認＞
正極活物質として、リチウムマンガンシリケート系化合物を準備した。リチウムマンガンシリケート系化合物は、以下の方法で調製した。
【００２０】
［マンガン系沈殿物の合成］
無水水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）２．５モルを１０００ｍＬの蒸留水に溶解させ、水酸化リチウム水溶液を調製した。また、塩化マンガン４水和物（ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ）０．２５モルを５００ｍＬの蒸留水に溶解させ、塩化マンガン水溶液を調製した。室温（約２０℃）にて、塩化マンガン水溶液に水酸化リチウム水溶液を数時間かけて徐々に滴下した。この操作でマンガン系沈殿物が生成した。その後、マンガン系沈殿物を含む反応液を攪拌しながら、反応液中に空気を吹き込み、室温にて１日間バブリング処理した。得られたマンガン系沈殿物を、濾過後、蒸留水で３回程洗浄濾過した。洗浄したマンガン系沈殿物を４０℃で一晩乾燥した。
【００２１】
乾燥後のマンガン系沈殿物を、Ｘ線回折を用いて分析した。その結果、乾燥後のマンガン系沈殿物が組成式：ＭｎＯＯＨで表される化合物であることがわかった。つまり、このマンガン系沈殿物１モルには、Ｍｎが１モル含まれる。また、ＳＥＭにより、得られた沈殿物が多孔質であることを確認した。
【００２２】
［リチウムマンガンシリケート系化合物の合成］
炭酸リチウム（キシダ化学株式会社製、純度９９．９％）、炭酸ナトリウム（キシダ化学株式会社製、純度９９．５％）および炭酸カリウム（キシダ化学株式会社製、純度９９．５％）を、炭酸リチウム：炭酸ナトリウム：炭酸カリウム＝４３．５：３１．５：２５（モル比）で混合して炭酸塩混合物を調製した。この炭酸塩混合物と、上記のマンガン系沈殿物０．０３モルと、リチウムシリケート（Ｌｉ２ＳｉＯ３、キシダ化学株式会社製、純度９９．５％）０．０３モルと、を炭酸塩混合物１００質量部に対して、マンガン系沈殿物とリチウムシリケートの合計量が１６０質量部となるように混合した。この混合物にアセトン２０ｍｌを加えたものを、ジルコニア製ボールミルにて５００ｒｐｍで６０分混合し、乾燥した。乾燥後の混合粉末を金坩堝に入れ、この金坩堝を電気炉に入れて、二酸化炭素（流量：１００ｍＬ／分）と水素（流量：３ｍＬ／分）の混合ガス雰囲気下で加熱した。このときの加熱温度は５５０℃であり、反応時間は６５時間であった。なお、反応中、炭酸塩混合物は溶融した状態を維持していた。
【００２３】
反応後、反応系である炉心全体（金坩堝含む）を電気炉から取り出して、混合ガスを流通させたまま室温まで急冷した。次いで、固化した反応物に水２０ｍＬを加えて、乳棒および乳鉢を用いて擦り潰し、粉体を得た。この粉体から塩等を取り除くために、粉体を水洗濾過した。濾取乾燥後得られた粉体をリチウムマンガンシリケート系化合物の粉体とした。
【００２４】
[カーボン被覆処理]
上記した方法で得られたリチウムマンガンシリケート系化合物を、さらに、カーボンにより被覆した。この処理により正極活物質の導電性が向上する。
【００２５】
具体的には、上記のリチウムマンガンシリケート系化合物とアセチレンブラックとを質量比５：４で混合した。混合にはボールミリングを用い、混合条件は４５０ｒｐｍ、５時間であった。その後、雰囲気制御できる熱処理炉を用いて、ガス流量ＣＯ２：Ｈ２＝１００：３（ｃｍ３）のもと、７００℃で２時間熱処理を行った。この工程で、カーボンとリチウムマンガンシリケートとからなるリチウムマンガンシリケート複合体を作製した。
【００２６】
［リチウムイオン二次電池の製作］
上記のリチウムマンガンシリケート系化合物を正極活物質に用い、負極活物質にＳｉＯ（大阪チタニウムテクノロジーズ株式会社製、粒度分布４５ミクロン以下の粉末）を用い、ケースとして（ＣＲ２０３２タイプのコイン電池ケース）を用いたコイン電池を製作した。
【００２７】
詳しくは、カーボン被覆処理したリチウムマンガンシリケート系化合物：アセチレンブラック（ＡＢ）：ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）＝１７．１：４．７：１（質量比）の混合物を混練した後フィルム状にして、アルミニウム製の集電体に圧着して電極を製作し、１４０℃で３時間真空乾燥したものを正極として用いた。
【００２８】
負極としては、上記のＳｉＯを電極にした後、リチウムを対極として充放電を行い、不可逆容量を無くしたものを用いた。なお、ＳｉＯ負極用の負極合材としては、ＳｉＯ：ＫＢ：ポリイミドバインダー＝８０：５：１５（質量比）を用いた。
【００２９】
電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジメチレンカーボネート（ＤＭＣ）＝１：１にＬｉＰＦ６を溶解して１ｍｏｌ／Ｌとした溶液を用いた。
【００３０】
上記の正極および負極を用いて、コイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ社製Ｃｅｌｇａｒｄ２４００、厚さ２５μｍのポリプロピレン微孔質膜）と、ガラス不織布フィルタ（厚さ４４０μｍ、ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製、ＧＡ１００）と、を正極と負極との間に挟装して、電極体電池とした。この電極体電池を、ステンレス容器からなる電池ケース（ＣＲ２０３２型コイン電池用部材、宝泉株式会社製）に収容した。電池ケースには上記の電解液を注入した。電池ケースをカシメ機で密閉して、リチウムイオン二次電池を得た。
【００３１】
このリチウムイオン二次電池について、正極活物質の単位面積（１ｃｍ２）あたり０．０５ｍＡに相当する電流値で充電を行った。このときの温度は３０℃であり、充電は定電圧（４．４Ｖで１０時間）であった。
【００３２】
初回充電後の負極表面を分析した。装置としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）およびこれに付属したエネルギー分散型Ｘ線分光分析装置（ＥＤＸ）を用いた。ＥＤＸに関しては、ＺＡＦ法による簡易定量分析を行った。測定条件は、装置名：６３９０（ＬＡ）、加速電圧：２０．０ｋＶ、照射電流：１．０００００ｎＡ、ＰＨＡモード：Ｔ２、経過時間：４９１．５２ｓｅｃ、有効時間：４０９．３２ｓｅｃ、デッドタイム：１６％、計数率：２８７５ｃｐｓ、エネルギー範囲：０〜２０ｋｅＶであった。リチウムマンガンシリケート系化合物を正極活物質に用い、負極にＳｉＯを用いたコイン電池における初回充電後の負極のＳＥＭ像を図１に示し、ＥＤＸによる分析結果を図２および表１に示す。なお、表１は図２の分析結果を数値に変換したものである。
【００３３】
【表１】
0005880996.tif 000002
図１に示した負極の粒子の表面をＥＤＸにより分析した結果、Ｃ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ｐ、ＣａおよびＭｎを検出した（図２）。図２の横軸において、６ｋｅＶ近くにＭｎＫα線が明確に見られていることから、Ｍｎの存在が証拠付けられる。
【００３４】
表１に示すように、初期充電後の負極表面には、負極全体を１００原子％としたときに１．６５原子％となる量のマンガンが存在していた。負極はケイ素酸化物（ＳｉＯ）で構成されているため、負極表面に析出したマンガンは、正極活物質に含まれていたマンガンに由来すると考えられる。すなわち、この結果から、リチウムマンガンシリケートに含まれるマンガンが充電時に溶出することが裏づけられる。なお、リチウムイオン二次電池の充放電を繰り返すと、負極表面におけるマンガン析出量（原子％）が増大した。充放電５０サイクル後には、７原子％程度のマンガンが負極表面に析出した。この事実から、充放電を繰り返すことにより、リチウムマンガンシリケートに含まれるマンガンが徐々に溶出したことが裏づけられる。
【００３５】
＜リチウムマンガンシリケート系化合物＞
本発明のリチウムマンガンシリケート複合体は、芯部と被覆層とを含む。芯部はリチウムマンガンシリケート系化合物からなる。リチウムマンガンシリケート系化合物は、リチウム（Ｌｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、および酸素（Ｏ）を含む化合物であり、リチウムマンガンシリケート（Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４）がよく知られている。リチウムマンガンシリケート系化合物は、リチウム（Ｌｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、および酸素（Ｏ）を含む化合物であれば良く、その他の元素を含んでも良い。
【００３６】
本発明のリチウムマンガンシリケート複合体における被覆層は、耐フッ酸化合物、フッ素吸収化合物から選ばれる少なくとも一種およびカーボン系材料からなり、芯部を覆う。リチウムマンガンシリケートに含まれるマンガンは、電解液の分解により生成したフッ酸の作用によって、電解液に溶出すると考えられる。したがって、フッ酸に強い物質、すなわち、耐フッ酸化合物、フッ素吸収化合物から選ばれる少なくとも一種でリチウムマンガンシリケート系化合物を覆うことで、マンガンの溶出を抑制できると考えられる。
【００３７】
例えば、下式１で表されるケイ素過剰のリチウムマンガンシリケート系化合物は、正極活物質として用いたときに、リチウムイオン二次電池に優れた電池特性を付与できる材料である。
【００３８】
組成式：Ｌｉ２+ａ-ｂＡｂＭｎ１-ｘＭｘＳｉ１＋αＯ４+ｃ・・・・・・（式１）
なお、式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、ＲｂおよびＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｖ、ＭｏおよびＷからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字については、０≦ｘ≦０．５、−１＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０≦ｃ＜１、０＜α≦０．２である。
【００３９】
式１に示されるようなケイ素過剰のリチウムマンガンシリケート系化合物は、リチウムマンガンシリケートに比べて、比較的サイクル特性に優れるが、被覆層で覆うことによってさらにサイクル特性を向上させ得る。
【００４０】
リチウムマンガンシリケート系化合物としては、既知の方法で調製したものを用いれば良い。例えば、水熱合成法で合成したものや固相反応法で合成したものを用いても良いし、それ以外のものを用いても良い。例えば、アルカリ金属塩を含む溶融塩中で、二酸化炭素および還元性ガスを含む混合ガス雰囲気下において、珪酸リチウム化合物と、マンガンを含む化合物（以下、マンガン化合物と呼ぶ）を含む水溶液をアルカリ性にして形成される沈殿物と、を３００℃以上６００℃以下で反応させたものを用いても良い。この方法によると、上述したケイ素過剰のリチウムマンガンシリケート系化合物を合成できる。以下、この方法を溶融塩法と呼ぶ。
【００４１】
＜溶融塩の組成＞ 
溶融塩法では、詳しくは、アルカリ金属塩から選ばれた少なくとも一種を含む溶融塩中において、リチウムマンガンシリケート系化合物の合成反応を行う。
【００４２】
アルカリ金属塩は、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、ルビシウム塩およびセシウム塩からなる群から選ばれる少なくとも一種が挙げられる。なかでも望ましいのは、リチウム塩である。リチウム塩を含む溶融塩を使用する場合には、不純物相の形成が少なく、リチウム原子を過剰に含むリチウムマンガンシリケート系化合物が形成されやすい。
【００４３】
また、アルカリ金属塩の種類に特に限定はないが、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属 硝酸塩およびアルカリ金属水酸化物のうちの少なくとも一種を含むことが望ましい。具体的には、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸ルビジウム（Ｒｂ２ＣＯ３）、炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）、硝酸ルビジウム（ＲｂＮＯ３）、硝酸セシウム（ＣｓＮＯ３）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化ルビジウム（ＲｂＯＨ）および水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）が挙げられる。アルカリ金属塩としては、これらのうちの一種を単独で、または、これらのうちの二種以上を混合して使用すると良い。
【００４４】
たとえば、炭酸リチウム単独の場合の溶融温度は７００℃程度であるが、炭酸リチウムとその他のアルカリ金属塩との混合物の溶融塩とする場合には、溶融温度を６００℃以下とすることができる。したがって、このようなアルカリ金属塩を用いることで、３００〜６００℃という比較的低い反応温度において、目的とするリチウムマンガンシリケート系化合物を合成することが可能となる。
【００４５】
溶融塩は、溶融温度が６００℃以下となるように上記のアルカリ金属塩から選択し、アルカリ金属塩を混合して用いるのであれば混合物の溶融温度が６００℃以下となるように混合比を調節して混合溶融塩を得れば良い。混合比は、塩の種類に応じて異なるため、一概に規定することは困難である。
【００４６】
たとえば、炭酸リチウムを必須とし他の炭酸塩を含む炭酸塩混合物を溶融塩として使用するのであれば、通常、炭酸塩混合物全体を１００モル％としたとき、炭酸リチウムを３０モル％以上さらには３０〜７０モル％含むことが好ましい。炭酸塩混合物の具体例として、炭酸リチウム３０〜７０モル％、炭酸ナトリウム０〜６０モル％および炭酸カリウム０〜５０モル％からなる混合物を挙げることができる。このような炭酸塩混合物のさらに好ましい具体例として、炭酸リチウム４０〜４５モル％、炭酸ナトリウム３０〜３５モル％および炭酸カリウム２０〜３０モル％からなる混合物を挙げることができる。
【００４７】
なお、アルカリ金属硝酸塩およびアルカリ金属水酸化物の溶融温度（融点）は高くても４５０℃（水酸化リチウム）であるため、硝酸塩または水酸化物のうち一種を単独で含む溶融塩を用いる場合にも、低い反応温度を実現することができる。
【００４８】
＜原料化合物＞
溶融塩法におけるリチウムおよびケイ素供給源としてはＬｉ２ＳｉＯ３で表される珪酸リチウム化合物を用いることができる。またマンガン供給源としては、マンガン化合物を含む水溶液をアルカリ性にして形成される沈殿物を用いることができる。この沈殿物の具体的な形成方法を以下に説明する。
【００４９】
マンガン化合物としては、マンガン化合物を含む水溶液（以下「水溶液」と記載することもある）を形成できる成分であれば特に限定なく使用できる。マンガン化合物としては、通常、水溶性の化合物を用いれば良い。この様な水溶性化合物の具体例としては、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩などの水溶性塩、水酸化物などを挙げることができる。これらの水溶性化合物は、無水物および水和物の何れであっても良い。また、酸化物および酸化水酸化物などの非水溶性化合物をマンガン化合物として選択する場合であっても、例えば、塩酸または硝酸などの酸を用いて溶解させて水溶液として用いることが可能である。これらの各マンガン化合物は、それぞれ単独で使用しても良く、２種以上を併用しても良い。
【００５０】
マンガン化合物含有水溶液は、マンガンを必須で含むが、それ以外の金属をさらに含んでも良い。金属の価数は、金属元素が２価以下で存在する沈殿物を得る観点から、水溶液においても２価以下で存在するのが好ましい。したがって、具体的には、マンガン化合物としては、塩化マンガン（ＩＩ）、硝酸マンガン（ＩＩ）、硫酸マンガン（ＩＩ）、酢酸マンガン（ＩＩ）、酢酸マンガン（ＩＩＩ）、アセチル酢酸マンガン（ＩＩ）、過マンガン酸カリウム（ＶＩＩ）、アセチル酢酸マンガン（ＩＩＩ）およびこれらの水和物などが挙げられる。さらに必要に応じて、塩化鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩＩ）、硝酸鉄（ＩＩＩ）、硫酸鉄（ＩＩ）、硫酸鉄（ＩＩＩ）、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、シュウ酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、シュウ酸カルシウム、硫酸カルシウム、酢酸カルシウム、塩化コバルト（ＩＩ）、硝酸コバルト（ＩＩ）、シュウ酸コバルト（ＩＩ）、硫酸コバルト（ＩＩ）、酢酸コバルト（ＩＩ）、塩化アルミニウム（ＩＩＩ）、硝酸アルミニウム（ＩＩＩ）、シュウ酸アルミニウム（ＩＩＩ）、硫酸アルミニウム（ＩＩＩ）、酢酸アルミニウム（ＩＩＩ）、塩化ニッケル（ＩＩ）、硝酸ニッケル（ＩＩ）、シュウ酸ニッケル（ＩＩ）、硫酸ニッケル（ＩＩ）、酢酸ニッケル（ＩＩ）、塩化ニオブ、塩化チタン、硫酸チタン、塩化クロム（ＩＩＩ）、硝酸クロム（ＩＩＩ）、硫酸クロム（ＩＩＩ）、酢酸クロム（ＩＩＩ）、塩化銅（ＩＩ）、硝酸銅（ＩＩ）、シュウ酸銅（ＩＩ）、硫酸銅（ＩＩ）、酢酸銅（ＩＩ）、塩化亜鉛（ＩＩ）、硝酸亜鉛（ＩＩ）、シュウ酸亜鉛（ＩＩ）、硫酸亜鉛（ＩＩ）、酢酸亜鉛（ＩＩ）、塩化ジルコニウム、硫酸ジルコニウム、塩化バナジウム、硫酸バナジウム、酢酸モリブデン、塩化タングステンおよびこれらの水和物などを用いて、マンガンとともにそれ以外の金属を含む沈殿物を生成させても良い。
【００５１】
二種以上の金属元素を含む沈殿物を得たい場合には、水溶液における上記化合物の混合割合を、目的とするリチウムマンガンシリケート系化合物における各金属元素の元素比と同様の元素比にすれば良い。
【００５２】
水溶液中の各化合物の濃度については、特に限定的ではなく、均一な水溶液を形成でき、且つ円滑に沈殿物を形成できるように適宜決めれば良い。例えば、マンガン化合物の濃度を、０．０１〜５モル／Ｌさらには０．１〜２モル／Ｌとするのが好ましい。
【００５３】
マンガン化合物含有水溶液は、マンガン化合物および水以外に、アルコールを含んでも良い。つまり溶媒として、水を単独で用いる他、メタノール、エタノールなどの水溶性アルコールを含む水−アルコール混合溶媒を用いても良い。水−アルコール混合溶媒を用いることにより、アルコールが不凍液として働き、０℃を下回る温度での沈殿生成が可能となる。アルコールの使用量は、目的とする沈殿生成温度などに応じて適宜決めれば良いが、通常、水１００質量部に対して、アルコールの使用量を５０質量部以下とするのが適当である。なお、本明細書では、アルコールを含む場合も「水溶液」とみなす。
【００５４】
次いで、水溶液から沈殿物（共沈物であっても良い）を生成させる。沈殿物を生成させるには、水溶液をアルカリ性とすれば良い。良好な沈殿物を形成する条件は、水溶液に含まれる各化合物の種類、濃度などによって異なるので一概に規定できないが、通常、ｐＨ８以上とすることが好ましく、ｐＨ１１以上とすることがより好ましい。
【００５５】
金属塩を含む水溶液をアルカリ性にする方法については特に限定はなく、通常は、アルカリを含む水溶液に当該水溶液を添加する方法によっても沈殿物を形成できる。また、当該水溶液に、アルカリまたはアルカリを含む水溶液を添加しても良い。
【００５６】
水溶液をアルカリ性にするために用いるアルカリとしては、たとえば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物やその水和物、アンモニアなどを用いることができる。特に好ましいのは水酸化リチウムである。水酸化リチウムを使用することで、沈殿物に含まれる不純物を、目的とするリチウムマンガンシリケート系化合物に必須に含まれるＬｉのみにできるためである。また、水酸化リチウムを用いる場合には水溶液のｐＨ調整を容易にできる利点もある。これらのアルカリを水溶液として用いる場合には、たとえば、０．１〜２０モル／Ｌ、好ましくは０．３〜１０モル／Ｌの濃度の水溶液として用いることができる。
【００５７】
また、アルカリは、上記した金属化合物の水溶液と同様に、水溶性アルコールを含む水−アルコール混合溶媒に溶解しても良い。
【００５８】
水溶液の温度に特に限定はなく、室温（２０〜３５℃）にて沈殿の形成を行えば良いが、水溶液の温度を−５０℃から＋１５℃、好ましくは−４０℃から＋１０℃程度にしても良い。低温に保持することで、沈殿の微細化とともに、反応時の中和熱発生に伴う不純物相（例えば鉄酸化物の一種であるスピネルフェライト）の生成が抑制され、均質な沈殿物が形成され易くなる。
【００５９】
水溶液をアルカリ性とした後、更に、０〜１５０℃、好ましくは１０〜１００℃で、１時間〜７日間、好ましくは半日〜４日間にわたり、反応溶液に空気を吹き込みながら、沈殿物の酸化・熟成処理を行うことが好ましい。なお、酸化・熟成処理は、室温で行っても良い。得られた沈殿を蒸留水等で洗浄して、過剰のアルカリ成分、残留原料等を除去し、濾別することによって、沈殿を精製することができる。
【００６０】
得られた沈殿物に含まれるマンガンは、２〜４価であるのが好ましい。また、沈殿物は、さらに必要に応じて、その他の金属元素を含んでも良い。その他の金属元素としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｖ、ＭｏおよびＷからなる群から選ばれた少なくとも一種の遷移元素を例示できる。
【００６１】
マンガン化合物におけるマンガンの含有量は、金属元素の合計量を１００モル％として、５０モル％以上であることが必要である。即ち、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｖ、ＭｏおよびＷからなる群から選ばれた少なくとも一種の遷移金属元素の量は、遷移金属元素の合計量を１００モル％として、０〜５０モル％とすることができる。
【００６２】
Ｌｉ２ＳｉＯ３で表される珪酸リチウム化合物と、マンガン化合物との混合割合については、通常、珪酸リチウム化合物１モルに対して、マンガン化合物に含まれる金属元素の合計量が０．９〜１．２モルとなる量とすることが好ましく、０．９５〜１．１モルとなる量とすることがより好ましい。
【００６３】
＜リチウムマンガンシリケート系化合物の製造方法＞
溶融塩法では、上記の溶融塩中で、二酸化炭素および還元性ガスを含む混合ガス雰囲気下において、上記の原料化合物を３００〜６００℃で反応させることが必要である。 
【００６４】
具体的な反応方法については特に限定的ではないが、通常は、上記したアルカリ金属塩から選ばれた少なくとも一種を含む溶融塩原料、珪酸リチウム化合物および上記のマンガン化合物を混合し、ボールミル等を用いて均一に混合した後、溶融塩原料の融点以上に加熱して溶融塩原料を溶融させれば良い。これにより、溶融塩中において、リチウム、珪素およびマンガンさらにはその他の添加金属の溶解−析出反応が進行して、目的とするリチウムマンガンシリケート系化合物を得ることができる。この際、珪酸リチウム化合物およびマンガン化合物と、溶融塩原料との混合割合については特に限定的ではなく、溶融塩中において、原料を均一に分散できる量であれば良く、たとえば、珪酸リチウム化合物とマンガン化合物との合計量１００質量部に対して、溶融塩原料の合計量が２０〜３００質量部の範囲となる量であることが好ましく、５０〜２００質量部さらには６０〜８０質量部の範囲となる量であることがより好ましい。
【００６５】
溶融塩中における珪酸リチウム化合物とマンガン化合物との反応温度は、３００〜６００℃さらには４００〜５６０℃であれば良い。３００℃未満では、温度が低いため塩が溶融し難いこと等から反応性が乏しくなり、リチウムマンガンシリケート系化合物が合成されるまでに長時間を要するため、実用的ではない。また、反応温度が６００℃を超えると、得られるリチウムマンガンシリケート系化合物の粒子が粗大化し易くなるため好ましくない。
【００６６】
溶融塩法により合成されるリチウムマンガンシリケート系化合物をリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いた場合に顕著に向上する電池特性は、放電平均電圧である。また、初期放電容量も大きくなり、不可逆容量が低減される。合成するリチウムマンガンシリケート系化合物の組成により温度の絶対値は異なるが、反応温度が高くなると板状粒子に成長しやすい傾向にある。たとえば、反応温度が４７０℃以上では、針状または板状の粒子形状をなすＬｉ２ＭｎＳｉＯ４粉末が得られる。特に、４７０〜５１０℃で反応させることで、Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４が針状粒子に成長し易くなる。また、５２０〜５６０℃で反応させることで、Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４が板状粒子に成長し易くなる。
【００６７】
上記した反応は、反応時において、マンガン化合物に含まれるマンガン（さらに他の金属元素を含む場合には、マンガンおよび他の金属元素）を２価イオンとして溶融塩中に安定に存在させるために、二酸化炭素および還元性ガスを含む混合ガス雰囲気下で行う。この雰囲気下では、反応前の酸化数が２価以外の金属元素であっても２価の状態で安定に維持することが可能となる。二酸化炭素と還元性ガスの比率に特に限定はないが、還元性ガスを多く用いると、酸化雰囲気を制御する二酸化炭素が減少するため、溶融塩原料の分解が促進されて反応速度が速くなる。しかし、還元性ガスが過多では、還元性が高くなりすぎて、リチウムマンガンシリケート系化合物の２価の金属元素が還元され、反応生成物が分解するおそれがある。そのため、好ましい混合ガスの混合比率は、体積比で、二酸化炭素１００体積部に対して還元性ガスを１〜４０体積部さらには３〜２０体積部とすることが好ましい。還元性ガスとしては、たとえば、水素、一酸化炭素などを用いることができ、水素が特に好ましい。 二酸化炭素と還元性ガスの混合ガスの圧力については、特に限定はなく、通常、大気圧とすれば良いが、加圧下、あるいは減圧下であっても良い。
【００６８】
珪酸リチウム化合物とマンガン化合物との反応時間は、通常、１０分〜７０時間とすれば良く、好ましくは５〜２５時間さらには１０〜２０時間とすれば良い。
【００６９】
上記の反応終了後、冷却し、フラックスとして用いたアルカリ金属塩を除去することで、リチウムマンガンシリケート系化合物を得ることができる。一般に、アルカリ金属塩は反応後の冷却により固化する。このため、固化したアルカリ金属塩を溶解できる溶媒を用いて生成物を洗浄することによって、アルカリ金属塩を溶解除去できる。例えば、溶媒として、水を用いると良い。
【００７０】
＜溶融塩法によるリチウムマンガンシリケート系化合物＞
上記した方法によって得られるリチウムマンガンシリケート系化合物は、以下の組成式で表される。
【００７１】
組成式：Ｌｉ２+ａ-ｂＡｂＭｎ１-ｘＭｘＳｉ１＋αＯ４+ｃ・・・・・・（式１）
なお、式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、ＲｂおよびＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｖ、ＭｏおよびＷからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は、０≦ｘ≦０．５、−１＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０≦ｃ＜１、０＜α≦０．２である。好ましくは、−０．５≦ａ≦０．５さらには−０．１≦ａ≦０．１、０≦ｂ≦０．１さらには０≦ｂ≦０．０５、０＜α≦０．１さらには０．０１≦α≦０．０５、である。
【００７２】
なお、このリチウムマンガンシリケート系化合物が、遷移金属としてマンガンの他に鉄を含む場合には、リチウムマンガンシリケート系化合物は、以下の組成式で表される。なお、この場合、式中、Ｍ’はＦｅおよびＭｎである。それ以外は式１と同じである。
【００７３】
組成式：Ｌｉ２+ａ-ｂＡｂＭ’１-ｘＭｘＳｉ１＋αＯ４+ｃ・・・・・・（式２）
溶融塩中にリチウム塩が含まれている場合には、溶融塩中のリチウムイオンが、リチウムマンガンシリケート系化合物のＬｉイオンサイトに浸入する。このためこの化合物は、化学量論量と比較して、Ｌｉイオンを過剰に含む化合物となる。つまり、上記の組成式の添字“ａ”は、正の値となる。また、溶融塩中において、６００℃以下という低温で反応を行うことによって、リチウムマンガンシリケート系化合物の結晶粒の成長が抑制され、平均粒径が数μｍ以下の微細な粒子となり、さらに、不純物相の量が大きく減少する。その結果、このリチウムマンガンシリケート系化合物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、良好なサイクル特性およびレート特性を示すとともに高容量を示し得る。リチウムマンガンシリケート系化合物の形状は、板状、針状等、特に限定しない。リチウムマンガンシリケート系化合物のサイクル特性は、その形状に応じて異なる。しかし、何れの場合にもリチウムマンガンシリケート系化合物からなる芯部を被覆層で覆うことで、サイクル特性を向上させ得る。
【００７４】
＜被覆層＞
被覆層は、既知の方法で形成すれば良く、一般的な被覆方法、例えば、蒸着あるいはスパッタ法、ゾル・ゲル法、化学気相成長法、溶液法などにより積層、成膜、担持等の既知の方法を用いれば良い。被覆層は、Ａ：耐フッ酸化合物、Ｂ：フッ素吸収化合物から選ばれる少なくとも一種およびＣ：カーボン系材料からなる。
【００７５】
このうちＡの耐フッ酸化合物は、スカンジウム酸化物、イットリウム酸化物、ランタン酸化物、セリウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニア酸化物、ハフニウム酸化物、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、アルミニウム酸化物から選ばれる少なくとも一種からなる。被覆層をこれらの材料で構成する場合には、フッ素と反応し難いため芯部のリチウムマンガンシリケート系化合物を保護することが可能である。
【００７６】
Ｂのフッ素吸収化合物は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、シリコン、ランタン、セリウム（金属）またはこれらの酸化物から選ばれる少なくとも一種からなる。被覆層をこれらの材料で構成する場合には、フッ素と反応し易いためフッ素を取り込んでフッ素量を低減することができる。その結果、芯部のリチウムマンガンシリケート系化合物を保護することが可能である。
【００７７】
Ｃのカーボン系材料は、有機物の炭化により得られた炭素骨格を持つカーボン材料および／または導電性カーボンからなる。有機物の炭化は５００〜８００℃の範囲で行うのが良い。有機材料としては、ショ糖、ブドウ糖、クエン酸、フェノール樹脂、アスコルビン酸、シュウ酸、アジピン酸等を用いるのが好ましい。導電性カーボンとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック等を用いるのが好ましい。なお、有機物としては、植物由来、動物由来等、如何なる材料を用いても良い。被覆層をこれらの材料で構成する場合には、芯部のリチウムマンガンシリケート系化合物の導電性を向上させることができる。さらに上述した耐フッ酸化合物またはフッ素吸収化合物と芯部のリチウムマンガンシリケート系化合物とを接合する役割もある。
【００７８】
芯部には、被覆層に加えて、被覆層以外の層を形成しても良い。被覆層以外の層としては、フッ素処理層等を挙げることができる。具体的には、フッ素ガスにより形成した被覆層等が例示される。また、カーボン材料から成る導電層を形成しても良い。例えば、ブタンガス、エタンガス、メタンガス、アセチレンガス等をガス分解等で炭化することで、これらのガスに由来する導電層を形成できる。
【００７９】
さらに、芯部には、被覆層を形成する処理に加えて、他の処理を施しても良い。さらに、芯部と被覆層とを含む本発明のリチウムマンガンシリケート複合体に、分級、加熱、ミリングによるアモルファス化処理等を施しても良い。
【００８０】
上記Ｃのカーボン系材料を用いた被覆層の形成方法は、特に限定的ではないが、例えば気相法や熱分解法、ボールミリング法等の方法を用いるのが好ましい。気相法は、メタンガス、エタンガス、ブタンガスなどのような炭素含有ガスを含む雰囲気において熱処理を行う方法である。熱分解法は、炭素源となる有機物とリチウムマンガンシリケート系化合物とを均一に混合した後に熱処理によって有機物を炭化させる方法である。ボールミリング法は、リチウムマンガンシリケート系化合物に、カーボン材料とＬｉ２ＣＯ３を加え、ボールミルによってリチウムマンガンシリケート系化合物がアモルファス化するまで均一に混合した後、熱処理を行う方法である。このうちボールミリング法を用いるのが特に好ましい。この方法によれば、正極活物質であるリチウムマンガンシリケート系化合物がボールミリングによってアモルファス化され、カーボンと均一に混合されて密着性が増加し、さらに熱処理によりリチウムマンガンシリケート系化合物の再結晶化と同時にカーボンがリチウムマンガンシリケート系化合物の周りに均一に析出するためリチウムマンガンシリケート系化合物をカーボンで略均一にかつ密着度高く被覆することができる。この際、Ｌｉ２ＣＯ３が存在することにより、リチウム過剰シリケート系化合物がリチウム欠損になることはなく、高い充放電容量を維持する。
【００８１】
アモルファス化の程度については、ＣｕＫα線を光源とするＸ線回折測定において、ボールミリング前の結晶性を有する試料についての（０１１）面由来の回折ピークの半値幅をＢ（０１１）ｃｒｙｓｔａｌ、ボールミリングにより得られた試料の同ピークの半値幅をＢ（０１１）ｍｉｌｌとした場合に、Ｂ（０１１）ｃｒｙｓｔａｌ／Ｂ（０１１）ｍｉｌｌの比が０．１〜０．５程度の範囲であればよい。
【００８２】
ボールミリング法によりカーボン系材料からなる被覆層を形成する場合、カーボン系材料としては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭、黒鉛等を用いることができる。
【００８３】
リチウムマンガンシリケート系化合物、カーボン材料およびＬｉ２ＣＯ３の配合割合については、リチウムマンガンシリケート系化合物１００質量部に対して、カーボン系材料を５〜４０質量部、Ｌｉ２ＣＯ３を２０〜４０質量部とすればよい。
【００８４】
ボールミリング法においては、リチウムマンガンシリケート系化合物がアモルファス化するまでボールミリング処理を行った後、熱処理を行う。熱処理は、リチウムマンガンシリケート系化合物に含まれる遷移金属イオンを２価に保持するために、還元性雰囲気下で行う。この場合の還元性雰囲気としては、二酸化炭素と還元性ガスの混合ガス雰囲気中が好ましい。溶融塩中でのリチウムマンガンシリケート系化合物の合成反応と同様に、２価の遷移金属イオンが金属状態まで還元されることを抑制するためである。二酸化炭素と還元性ガスの混合割合は、リチウムマンガンシリケート系化合物の合成反応時と同様とすればよい。
【００８５】
この熱処理温度は、５００〜８００℃とすることが好ましい。熱処理温度が低すぎる場合には、リチウムマンガンシリケート系化合物の周りにカーボンを均一に析出させることが難しい。一方、熱処理温度が高すぎると、リチウムマンガンシリケート系化合物の分解やリチウム欠損が生じることがあり、充放電容量が低下するので好ましくない。熱処理時間は、通常、１〜１０時間とすれば良い。
【００８６】
また、ボールミリング法を適用する際、上記リチウムマンガンシリケート系化合物に、カーボン材料とＬｉＦを加え、上記した方法と同様にして、ボールミルによってリチウムマンガンシリケート系化合物がアモルファス化するまで均一に混合した後、熱処理を行ってもよい。この場合には、上記した場合と同様に、リチウムマンガンシリケート系化合物の再結晶化と同時にカーボンがリチウムマンガンシリケート系化合物の周りに均一に析出して被覆して、導電性が向上する。さらに、リチウムマンガンシリケート系化合物の酸素原子の一部がフッ素原子と置換して、フッ素含有リチウムマンガンシリケート系化合物が形成される。
【００８７】
この化合物は、Ｆが添加されたことにより、正極として用いた場合に、平均電圧が上昇して、より優れた性能を有する正極材料となる。この際、ＬｉＦが存在することにより、リチウム過剰マンガンシリケート系化合物がリチウム欠損になることはなく、高い充放電容量を示すものとなる。
【００８８】
この方法では、リチウムマンガンシリケート系化合物、カーボン材料およびＬｉＦの配合割合については、リチウムマンガンシリケート系化合物１００質量部に対して、カーボン系材料を２０〜４０質量部、ＬｉＦを１０〜４０質量部とすればよい。さらに、必要に応じて、Ｌｉ２ＣＯ３を含んでも良い。ボールミリングおよび熱処理の条件については、上記した場合と同様とすれば良い。
【００８９】
＜リチウムイオン二次電池用正極＞
芯部と被覆層とを含む本発明のリチウムマンガンシリケート複合体は、リチウム二次電池正極用活物質として有効に使用できる。本発明のリチウムマンガンシリケート複合体を用いる正極は、通常のリチウムイオン二次電池用正極と同様の構造にできる。
【００９０】
例えば、リチウムマンガンシリケート複合体に、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、気相法炭素繊維（ＶａｐｏｒＧｒｏｗｎＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ：ＶＧＣＦ）等の導電助剤、ポリフッ化ビニリデン（ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｉｎｅＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ：ＰＶｄＦ）、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン-ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のバインダー、Ｎ-メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を加えてペースト状として、これを集電体に塗布することによって正極を製作することができる。導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、たとえば、リチウムマンガンシリケート複合体１００質量部に対して、５〜２０質量部とすることができる。また、バインダーの使用量についても、特に限定的ではないが、たとえば、リチウムマンガンシリケート複合体１００質量部に対して、５〜２０質量部とすることができる。また、その他の方法として、リチウムマンガンシリケート複合体と、上記の導電助剤およびバインダーを混合したものを、乳鉢やプレス機を用いて混練してフィルム状とし、これを集電体へプレス機で圧着する方法によっても正極を製造することが出来る。
【００９１】
集電体としては、特に限定はなく、従来からリチウムイオン二次電池用正極として使用されている材料、たとえば、アルミ箔、アルミメッシュ、ステンレスメッシュなどを用いることができる。さらに、カーボン不織布、カーボン織布なども集電体として使用できる。
【００９２】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、その形状、厚さなどについては特に限定的ではないが、たとえば、活物質を充填した後、圧縮することによって、厚さを１０〜２００μｍ、より好ましくは２０〜１００μｍとすることが好ましい。従って、使用する集電体の種類、構造等に応じて、圧縮後に上記した厚さとなるように、活物質の充填量を適宜決めれば良い。
【００９３】
＜リチウムイオン二次電池＞
上記したリチウムイオン二次電池用正極を用いるリチウムイオン二次電池は、公知の手法により製造することができる。すなわち、正極材料として、上記した正極を使用し、負極材料として、公知の金属リチウム、黒鉛などの炭素系材料、シリコン薄膜などのシリコン系材料、銅−錫やコバルト−錫などの合金系材料、チタン酸リチウムなどの酸化物材料を使用し、電解液として、公知のエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの非水系溶媒に過塩素酸リチウム、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３などのリチウム塩を０．５ｍｏｌ/Ｌから１．７ｍｏｌ/Ｌの濃度で溶解させた溶液を使用し、さらにその他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組立てれば良い。
【００９４】
以上、本発明のリチウムマンガンシリケート複合体およびその製造方法の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【実施例】
【００９５】
以下、実施例を挙げて本発明のリチウムマンガンシリケート複合体を具体的に説明する。
【００９６】
（実施例）
＜被覆層の形成＞
上述した＜マンガン溶出の確認＞ で合成したものと同じリチウムマンガンシリケート系化合物を芯部として用いた。この芯部の上層に耐フッ酸化合物の一種であるジルコニア（ジルコニウム酸化物）からなる第１の被覆層を形成した。さらに、第１の被覆層の上層にカーボン系材料の一種であるアセチレンブラックからなる第２の被覆層を形成した。つまり、実施例のリチウムマンガンシリケート複合体は、２層の被覆層を持つ。
【００９７】
〔第１の被覆層〕
先ず、リチウムマンガンシリケート系化合物１００ｍｇおよびＺｒＯ２（第一希元素化学工業、ＺＳＬ−１０Ｔ）２０ｍｇをはかりとり、蒸留水１０ｍｌを加えて、リチウムマンガンシリケート混合物を調製した。この混合物を、超音波洗浄機により１０分間超音波処理した。超音波処理後の混合物を、ホットスターラーにより、８００ｒｐｍ、２７℃で２時間攪拌した。２時間後、攪拌速度を４００ｒｐｍに変更し、２７℃で更に１５時間攪拌した。攪拌後の混合物を、遠心分離器（５０００ｒｐｍ、１０分間）を用いて、液体と固体（沈殿物）とに分離した。分離した沈殿物を、８０℃で２〜３時間乾燥した。この工程で、芯部の上層に第１の被覆層を形成した。
【００９８】
〔第２の被覆層〕
乾燥後の沈殿物とアセチレンブラックとを質量比５：４で混合した。混合にはボールミリングを用い、混合条件は４５０ｒｐｍ、５時間であった。その後、雰囲気制御できる熱処理炉を用いて、ガス流量ＣＯ２：Ｈ２＝１００：３（ｃｍ３）のもと、７００℃で２時間熱処理を行った。この工程で、芯部を覆う第１の被覆層の上層に第２の被覆層を形成した。以上の工程で、実施例のリチウムマンガンシリケート複合体を得た。
【００９９】
＜リチウムイオン二次電池の製作＞
上記の工程で製造したリチウムマンガンシリケート複合体を正極活物質に用い、評価用のリチウムイオン二次電池を製作した。
【０１００】
詳しくは、リチウムマンガンシリケート複合体：アセチレンブラック（ＡＢ）：ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）＝１７．１：４．７：１（質量比）の混合物を混練した後フィルム状にして、アルミニウム製の集電体に圧着して電極を製作し、１４０℃で３時間真空乾燥したものを正極として用いた。負極としては、金属リチウムを用いた。電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジメチレンカーボネート（ＤＭＣ）＝１：１にＬｉＰＦ６を溶解して１ｍｏｌ／Ｌとした溶液を用いた。
【０１０１】
上記の正極および負極を用いて、コイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ社製Ｃｅｌｇａｒｄ２４００、厚さ２５μｍのポリプロピレン微孔質膜）と、ガラス不織布フィルタ（厚さ４４０μｍ、ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製、ＧＡ１００）と、を正極と負極との間に挟装して、電極体電池とした。この電極体電池を、ステンレス容器からなる電池ケース（ＣＲ２０３２型コイン電池用部材、宝泉株式会社製）に収容した。電池ケースには上記の電解液を注入した。電池ケースをカシメ機で密閉して、リチウムイオン二次電池を得た。
【０１０２】
（比較例）
比較例の正極活物質は、実施例の芯部として用いたものと同じリチウムマンガンシリケート系化合物である。このリチウムマンガンシリケート系化合物には、ジルコニア層を形成しなかった。比較例のリチウムイオン二次電池は、正極活物質以外は実施例のリチウムイオン二次電池と同じものである。
【０１０３】
＜リチウムマンガンシリケート複合体の分析＞
実施例の正極活物質（すなわちリチウムマンガンシリケート複合体）および比較例の正極活物質（リチウムマンガンシリケート系化合物）について、成分分析を行った。装置としては、ＳＥＭおよびＥＤＸを用いた。ＥＤＸに関しては、上記と同様のＺＡＦ法による簡易定量分析を行った。その結果、実施例の正極活物質に関しては、計数率：２７９１ｃｐｓ、フィッティング係数：０．３３４２であった。比較例の正極活物質に関しては、計数率：２８７５ｃｐｓであった。リチウムマンガンシリケート複合体のＳＥＭ像を図３に示し、ＥＤＸによるリチウムマンガンシリケート複合体の分析結果を図４および表２に示す。リチウムマンガンシリケート系化合物のＳＥＭ像を図５に示し、ＥＤＸによるリチウムマンガンシリケート系化合物の分析結果を図６および表３に示す。
【０１０４】
図３に示すリチウムマンガンシリケート複合体のＳＥＭ像と、図５に示すリチウムマンガンシリケート系化合物のＳＥＭ像とを比較すると、リチウムマンガンシリケート複合体は、リチウムマンガンシリケート系化合物に比べて粒子が丸みを帯びていた。
【０１０５】
【表２】
0005880996.tif 000003
【０１０６】
【表３】
0005880996.tif 000004
表２に示すように、リチウムマンガンシリケート複合体の表面からは約１質量％のＺｒが検出された。これに対して、表３に示すように、リチウムマンガンシリケート系化合物の表面からは、Ｚｒは検出されなかった。この結果から、実施例のリチウムマンガンシリケート複合体の表面には被覆層（詳しくはジルコニア層）が形成されていることがわかる。また、ＥＤＸ分析により、被覆層の有無を確認でき、本発明のリチウムマンガンシリケート複合体であるか否かを確認できることもわかる。
【０１０７】
＜サイクル試験＞
実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について３０℃で繰り返し充放電を行った。各電池に、正極活物質の単位面積（１ｃｍ２）あたり０．０５ｍＡに相当する電流値で充放電を行った。その際の放電終止電圧は１．５Ｖ、充電終止電圧は４．５Ｖとした。なお、初回充電時のみ、４．５Ｖで１０時間保持した。実施例のリチウムイオン二次電池の充放電曲線を図７に示し、サイクル特性を図８に示す。比較例のリチウムイオン二次電池の充放電曲線を図９に示し、サイクル特性を図１０に示す。図７〜１０に示すように、実施例のリチウムイオン二次電池は、比較例のリチウムイオン二次電池に比べて、初回サイクル時の充放電効率に優れ、初期充電時以外は１０サイクルまでの充放電容量が大きくかつ充放電に伴う容量低下が少ない。５０サイクル後の放電容量維持率を比べると、比較例のリチウムイオン二次電池では２９％であるのに対し、実施例のリチウムイオン二次電池では５０％と大きく向上している。この結果から、リチウムマンガンシリケート系化合物を被覆層で覆うことで、リチウムマンガンシリケート系化合物を正極活物質として含むリチウムイオン二次電池の充放電特性低下を抑制できることがわかる。換言すると、リチウムマンガンシリケート系化合物からなる芯部と、この芯部を覆う被覆層と、を含む本発明のリチウムマンガンシリケート複合体は、サイクル特性の低下を抑制でき、リチウムイオン二次電池用の正極活物質として有用である。
【図２】
0005880996.tif 000005
【図４】
0005880996.tif 000006
【図６】
0005880996.tif 000007
【図７】
0005880996.tif 000008
【図８】
0005880996.tif 000009
【図９】
0005880996.tif 000010
【図１０】
0005880996.tif 000011
【図１】
0005880996.tif 000012
【図３】
0005880996.tif 000013
【図５】
0005880996.tif 000014