(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解析出した二酸化マンガンを平均粒径５〜３０μｍとなるように粉砕後、水酸化ナトリウムもしくは炭酸ナトリウムで中和し、ｐＨを２以上とし、その比表面積が５０ｍ2／ｇ以上である電解二酸化マンガンと、リチウム原料とを混合し、７５０℃以上で焼成する
ことを特徴とするスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法によって得られたスピネル型マンガン酸リチウムからなる
ことを特徴とする非水電解質二次電池用正極材料。
【請求項３】
上記請求項２に記載の正極材料を用いた正極と、
リチウムを吸蔵、脱蔵できる負極と、
非水電解質と
から構成される
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法に関し、詳しくは、非水電解質二次電池用正極材料とした時に、Ｍｎの溶出量を抑制し、高温保存特性、高温サイクル特性等の電池の高温特性を向上させたスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年のパソコンや電話等のポータブル化、コードレス化の急速な進歩によりそれらの駆動用電源としての二次電池の需要が高まっている。その中でも非水電解質二次電池は最も小型かつ高エネルギー密度を持つため特に期待されている。上記の要望を満たす非水電解質二次電池の正極材料としてはコバルト酸リチウム（LiCoO2）、ニッケル酸リチウム（LiNiO2）、マンガン酸リチウム（LiMn2O4)等がある。これらの複合酸化物はリチウムに対し４Ｖ以上の電圧を有していることから、高エネルギー密度を有する電池となり得る。
【０００３】
上記の複合酸化物のうちLiCoO2、LiNiO2は理論容量が２８０mAh/ｇ程度であるのに対し、LiMn2O4 は１４８mAh/ｇと小さいが、原料となるマンガン酸化物が豊富で安価であることや、LiNiO2のような充電時の熱的不安定性がないことから、ＥＶ用途に適していると考えられている。
【０００４】
しかしながら、このマンガン酸リチウム(LiMn2O4) は、高温においてＭｎが溶出するため、高温保存性、高温サイクル特性等の高温での電池特性に劣るという問題がある。
【０００５】
従って本発明の目的は、非水電解質二次電池用正極材料とした時に、充電時のＭｎ溶出量を抑制し、高温保存性、高温サイクル特性等の高温での電池特性を向上させたスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法および該マンガン酸リチウムからなる正極材料、並びに該正極材を用いた非水電解質二次電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
スピネル型マンガン酸リチウムに用いるマンガン原料としてさまざまなマンガン化合物の研究がなされている。電解二酸化マンガンは安価、豊富であることから、スピネル型マンガン酸リチウムのマンガン原料として好適である。リチウム一次電池の正極活物質には比表面積の高い電解二酸化マンガンを特定の温度で焼成したものが用いられている。この電解二酸化マンガンの比表面積は電解条件に依存する。また、アルカリマンガン電池用途にはソーダ中和が施される。ソーダ中和された電解二酸化マンガン中には少量のナトリウムが残留することが知られており、このナトリウム量は中和条件に依存する。
【０００７】
本発明者らは、電解二酸化マンガンの比表面積及び中和条件に着目し、これを特定することにより、得られたスピネル型マンガン酸リチウムが上記目的を達成し得ることを知見した。
【０００８】
本発明は、上記知見に基づきなされたもので、第１の発明によるスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法は、電解析出した二酸化マンガンを平均粒径５〜３０μｍとなるように粉砕後、水酸化ナトリウムもしくは炭酸ナトリウムで中和し、ｐＨを２以上とし、その比表面積が５０ｍ2／ｇ以上である電解二酸化マンガンと、リチウム原料とを混合し、７５０℃以上で焼成することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明による非水電解質二次電池用正極材料は、第１の発明によって得られたスピネル型マンガン酸リチウムからなることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明による非水電解質二次電池は、上記第２の発明の正極材料を用いた正極と、リチウムを吸蔵、脱蔵できる負極と、非水電解質とから構成されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において、スピネル型マンガン酸リチウムのマンガン原料として、電解二酸化マンガンを用いる。
本発明における電解二酸化マンガンは、次の方法によって得られる。電解液として所定濃度の硫酸マンガン溶液を用い、陰極にカーボン板、陽極にチタン板を用い、加温しつつ、一定の電流密度で電解を行い、陽極に二酸化マンガンを電析させる。次に、電析した二酸化マンガンを陽極から剥離し、所定粒度に粉砕する。
【００１４】
ここで、剥離した二酸化マンガンの粉砕は平均粒径５〜３０μｍに粉砕するのが好ましい。
これは、粒度は細かいほど電流負荷率が向上して好ましいく、一方平均粒径が３０μｍを超えると、正極材料として形成される膜にひび割れ等が発生し、均一が膜厚が形成しにくくなるからである。
【００１５】
この所定粒度に粉砕された電解二酸化マンガンは、ナトリウム中和後、水洗、乾燥する。ナトリウム中和としては、具体的には水酸化ナトリウムまたは炭酸ナトリウムで中和される。なお、粉砕、中和の順序は特に限定されず、中和後、粉砕してもよい。
【００１６】
中和された電解二酸化マンガンのｐＨは２以上、好ましくは２〜5.５、さらに好ましくは２〜４である。これはｐＨが高いほど、高温でのＭｎ溶出量は低減されるが、初期放電容量が減少する。ｐＨが２未満ではその効果は不十分である。
【００１７】
この中和された電解二酸化マンガンの比表面積は５０ｍ2/ｇ以上である。比表面積が５０ｍ2/ｇ以下だとリチウム原料との反応性が悪くなり、均一なものが得られないためＭｎ溶出量が低減されない。
また、比表面積が５０ｍ2/ｇ以上の電解二酸化マンガンでは、均一なスピネル型マンガン酸リチウムを得ることはできるが、比表面積も高くなるため電解液との反応面積も高くなりＭｎ溶出量は低減されない。
そこでナトリウム中和することで残存したナトリウムが焼成したときに均一に分散して反応したことによりＭｎ溶出量が低減される。
【００１８】
本発明では、この電解二酸化マンガンをリチウム原料と混合し、焼成してスピネル型マンガン酸リチウムを得る。リチウム原料としては、炭酸リチウム（Li2CO3）、硝酸リチウム（LiNO3)、水酸化リチウム（LiOH）等が挙げられる。電解二酸化マンガンとリチウム原料のＬｉ／Ｍｎモル比は0.５０〜0.６０が好ましい。
【００１９】
これら電解二酸化マンガンおよびリチウム原料は、より大きな反応面積を得るために、原料混合前あるいは後に粉砕することも好ましい。秤量、混合された原料はそのままでもあるいは造粒して使用してもよい。造粒方法は、湿式でも乾式でもよく、押し出し造粒、転動造粒、流動造粒、混合造粒、噴霧乾燥造粒、加圧成型造粒、あるいはロール等を用いたフレーク造粒でもよい。
【００２０】
このようにして得られた原料は焼成炉内に投入され、６００〜１０００℃で焼成することによって、スピネル型マンガン酸リチウムが得られる。単一相のスピネル型マンガン酸リチウムを得るには６００℃程度でも十分であるが、焼成温度が低いと粒成長が進まないので７５０℃以上の焼成温度、好ましくは８５０℃以上の焼成温度が必要となる。ここで用いられる焼成炉としては、ロータリーキルンあるいは静置炉等が例示される。焼成時間は１時間以上、好ましくは５〜２０時間である。
【００２１】
このようにして、ナトリウムを一定量含有するスピネル型マンガン酸リチウムが得られる。ナトリウムの含有量は0.０７〜2.５重量％が好ましい。このナトリウムを含有するスピネル型マンガン酸リチウムは非水電解質二次電池の正極材料として用いられる。
【００２２】
本発明の非水電解質二次電池では、上記正極材料とカーボンブラック等の導電材とテフロンバインダー等の結着剤とを混合して正極合剤とし、また、負極にはリチウムまたはカーボン等のリチウムを吸蔵、脱蔵できる材料が用いられ、非水系電解質としては、六フッ化リン酸リチウム（LiPF6)等のリチウム塩をエチレンカーボネート−ジメチルカーボネート等の混合溶媒に溶解したものが用いられるが、特に限定されるものではない。
【００２３】
本発明の非水電解質二次電池は充電状態でのマンガンの溶出を抑制することができるので、高温保存、高温サイクル特性等の高温での電池特性を向上させることかできる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例等に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は特にこれに限定されるものではない。
【００２５】
＜実施例１＞
マンガンの電解液として、硫酸濃度１０ｇ／ｌ、マンガン濃度５５ｇ／ｌの硫酸マンガン水溶液を調製した。この電解液の温度を９０℃となるように加温して、陰極にカーボン板、陽極にチタン板を用いて、９０Ａ／ｍ2 の電流密度で電解を行った。次いで、陽極に電析した二酸化マンガンを剥離し、７ｍｍ以下のチップに粉砕し、さらにこのチップを平均粒径約２０μｍに粉砕した。
【００２６】
この二酸化マンガン１０ｋｇを２０リットルの水で洗浄し、洗浄水を排出後、再度２０リットルの水を加えた。ここに水酸化ナトリウム１１０ｇを溶解し、攪拌しながら２４時間中和処理し、水洗、濾過後、乾燥（５０℃、１２時間）した。得られた粉末について、JIS Ｋ１４６７７−１９８４に従って測定したｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。
【００２７】
この平均粒径約２０μｍの二酸化マンガン１ｋｇにＬｉ／Ｍｎモル比が0.５４となるように炭酸リチウムを加えて混合し、箱型炉中、８００℃で２０時間焼成してスピネル型マンガン酸リチウムを得た。
【００２８】
このようにして得られたスピネル型マンガン酸リチウムを８０重量部、導電剤としてカーボンブラック１５重量部および結着剤としてポリ四フッ化エチレン５重量部を混合して正極合剤を作製した。
この正極合剤を用いて図１に示すコイン型非水電解質二次電池を作製した。すなわち、耐有機電解液性のステンレス鋼製の正極ケース１の内側には同じくステンレス鋼製の集電体３がスポット熔接されている。集電体３の上面には上記正極合剤からなる正極５が圧着されている。正極５の上面には、電解液を含浸した微孔性のポリプロピレン樹脂製のセパレータ６が配置されている。正極ケース１の開口部には、下方に金属リチウムからなる負極４を接合した封口板２が、ポリプロピレン製のガスケット７を挟んで配置されており、これにより電池は密封されている。封口板２は、負極端子を兼ね、正極ケース１と同様のステンレス鋼製である。電池の直径は２０ｍｍ、電池総高1.６ｍｍである。電解液には、エチレンカーボネートと１，３−ジメトキシエタンを等体積混合したものを溶媒とし、これに溶質として六フッ化リン酸リチウムを１mol/リットル溶解させたものを用いた。
【００２９】
このようにして得られた電池について充放電試験を行った。充放電試験は２０℃において行われ、電流密度を0.５ｍＡ／ｃｍ2 とし、電圧4.３Ｖから3.０Ｖの範囲で行った。また、この電池を4.３Ｖで充電し、８０℃の環境下で３日間保存した後、これらの電池の放電容量を容量維持率として電池の保存特性を確認した。初期放電容量および高温保存容量維持率の測定結果を「表１」に示す。
【００３０】
＜実施例２＞
電解二酸化マンガンの中和の際の水酸化ナトリウム添加量を４５ｇとした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３１】
＜実施例３＞
電解二酸化マンガンの中和の際の水酸化ナトリウム添加量を７５ｇとした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３２】
＜実施例４＞
電解二酸化マンガンの中和の際の水酸化ナトリウム添加量を１４０ｇとした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３３】
＜実施例５＞
電解二酸化マンガンの中和の際の水酸化ナトリウム添加量を２００ｇとした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３４】
＜実施例６＞
電解二酸化マンガンの中和の際の水酸化ナトリウム添加量を２８０ｇとした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３５】
＜実施例７＞
焼成温度を９００℃とした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３６】
＜実施例８＞
焼成温度を７５０℃とした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３７】
＜比較例１＞
マンガンの電解液として、硫酸濃度５０ｇ／ｌ、マンガン濃度４０ｇ／ｌの硫酸マンガン水溶液を調製した。この電解液の温度を９５℃となるように加温して、陰極にカーボン板、陽極にチタン板を用いて、６０Ａ／ｍ2 の電流密度で電解を行った。これ以外は実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３８】
＜比較例２＞
電解二酸化マンガンの中和を行わなかった（水酸化ナトリウム添加量０ｇ）とした以外は、比較例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００３９】
＜比較例３＞
電解二酸化マンガンの中和を行わなかった（水酸化ナトリウム添加量０ｇ）とした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。中和後のｐＨ、ナトリウム含有量、および比表面積を「表１」に示す。また、このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、初期放電容量および高温保存容量維持率を測定し、その結果を「表１」に示す。
【００４０】
【表１】
0004806755.tif 000002
【００４１】
＜実施例９＞
電解二酸化マンガンの粉砕時の平均粒径を５μｍとした以外は実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、２種の電流密度、0.５ｍＡ／ｃｍ2 と1.０ｍＡ／ｃｍ2 で評価し、0.５ｍＡ／ｃｍ2 の電流密度の放電容量を１００とし、1.０ｍＡ／ｃｍ2 での放電容量比率を電流負荷率として表した。「表２」に電流負荷率を示す。
【００４２】
＜実施例１０＞
実施例１で作製したコイン型非水電解質二次電池について実施例９と同様の評価を行った。「表２」に電流負荷率を示す。
【００４３】
＜実施例１１＞
電解二酸化マンガンの粉砕時の平均粒径を３０μｍとした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、実施例９と同様の評価を行った。「表２」に電流負荷率を示す。
【００４４】
＜比較例４＞
電解二酸化マンガンの粉砕時の平均粒径を３５μｍとした以外は、実施例１と同様にスピネル型マンガン酸リチウムの合成を行った。このスピネル型マンガン酸リチウムを正極材料として実施例１と同様にしてコイン型非水電解質二次電池を作製し、実施例９と同様の評価を行った。「表２」に電流負荷比率を示す。
【００４５】
【表２】
0004806755.tif 000003
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法で得られたスピネル型マンガン酸リチウムを非水電解質二次電池用正極材料として用いることによって、充電時のＭｎ溶出量を抑制し、高温保存特性、高温サイクル特性等の高温での電池特性を向上させ、また電流負荷率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例及び比較例のコイン型非水電解質二次電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１  正極ケース
２  封口板
３  集電体
４  金属リチウム負極
５  正極
６  セパレータ
７  ガスケット
【図１】
0004806755.tif 000004