(57)【要約】【課題】電解液中に添加剤等を混合すること無く、Ｍｎの溶出を防止し、長寿命の正極活物質を提供する。【解決手段】本発明に係る正極活物質は、マンガンを含有すると共にスピネル型構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物から構成される主結晶相を含み、非水系二次電池において用いられる正極活物質において、上記リチウム含有遷移金属酸化物とは異なる元素組成である１種類以上の副酸化物を含むとともに、上記主結晶相および上記副酸化物とは異なる第三相酸化物を含み、ラマン分光分析法によって酸化物および第三酸化物の存在を確認することができる状態であるものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンガンを含有すると共にスピネル型構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物から構成される主結晶相を含み、非水系二次電池において用いられる正極活物質において、
上記リチウム含有遷移金属酸化物とは異なる元素組成である１種類以上の副酸化物を含むとともに、
上記主結晶相および上記副酸化物とは異なる第三相酸化物を含み、
ラマン分光分析法によって副酸化物および第三相酸化物の存在を確認することができる状態であることを特徴とする正極活物質。
【請求項２】
上記副酸化物は、典型元素およびマンガンを含むことを特徴とする請求項１に記載の正極活物質。
【請求項３】
上記副酸化物は、亜鉛およびマンガンを含むことを特徴とする請求項２に記載の正極活物質。
【請求項４】
上記第三相酸化物はＳｎＯ２（IV）であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の正極活物質。
【請求項５】
全体の組成を以下の一般式Ａで示すとき、０．０１≦ｘ≦０．２０であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の正極活物質。
一般式Ａ：Ｌｉ１−ｘＭ１２−２ｘＭ２ｘＭ３２ｘＯ４−ｙ
（但し、Ｍ１はマンガンを示すか、または、遷移金属元素の少なくとも１種類以上およびマンガンを示し、Ｍ２およびＭ３は典型元素または遷移金属元素の少なくとも１種類以上の元素を示し、Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に含まれる元素は互いに異なる。ｙはｘと電気的中性を満足する値である。）
【請求項６】
上記リチウム含有遷移金属酸化物は、遷移金属としてマンガンのみを含有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の正極活物質。
【請求項７】
上記ラマン分光分析法において確認されるラマンピークが、亜鉛およびマンガンを含む酸化物に由来することを特徴とする請求項３に記載の正極活物質。
【請求項８】
上記ラマンピークが、約６７８ｃｍ−１、約３８２ｃｍ−１、約３２１ｃｍ−１、約３００ｃｍ−１に確認されることを特徴とする請求項７に記載の正極活物質。
【請求項９】
上記副酸化物の亜鉛およびマンガンの組成比Ｍｎ／Ｚｎが、２≦Ｍｎ／Ｚｎ＜４であることを特徴とする請求項８に記載の正極活物質。
【請求項１０】
上記主結晶相のラマン分光分析法における約６２３ｃｍ−１のラマンピーク強度をＡとし、
上記亜鉛およびマンガンからなる酸化物のラマン分光分析法における約３２１ｃｍ−１のラマンピーク強度をＢとしたとき、
強度比Ｂ／Ａが、０．０５≦Ｂ／Ａ≦０．２であることを特徴とする請求項９に記載の正極活物質。
【請求項１１】
上記ラマン分光分析法において確認されるラマンピークが、ＳｎＯ２（IV）に由来することを特徴とする請求項４に記載の正極活物質。
【請求項１２】
上記ラマンピークが、約７７４ｃｍ−１、約６３０ｃｍ−１、約４７４ｃｍ−１に確認されることを特徴とする請求項１１に記載の正極活物質。
【請求項１３】
上記主結晶相のラマン分光分析法における約６２３ｃｍ−１のラマンピーク強度をＣとし、
上記ＳｎＯ２（IV）のラマン分光分析法における約７７４ｃｍ−１のラマンピーク強度をＤとしたとき、
強度比Ｄ／Ｃが、０．０８≦Ｄ／Ｃ≦０．２であることを特徴とする請求項１２に記載の正極活物質。
【請求項１４】
上記リチウム含有遷移金属酸化物の格子定数が、８．２２Å以上、８．２５Å以下であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の正極活物質。
【請求項１５】
正極、負極および非水系のイオン伝導体を備える非水系二次電池において、
上記負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを挿入または脱離可能な負極活物質を含んでおり、
上記正極は、請求項１〜１４の何れか１項に記載の正極活物質を含むことを特徴とする非水系二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質二次電池を長寿命化する為の正極活物質に関するものであり、特に、貯蔵性および充放電サイクル寿命が改善された非水電解液二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポータブル機器用の電源として経済性等の点から二次電池が多く使われる。二次電池には様々な種類がある。現在、最も一般的な二次電池はニッケル−カドミウム電池であり、最近、ニッケル水素電池も普及しつつある。一方、リチウムを用いたリチウム二次電池は、これらの二次電池よりも出力電位が高く高エネルギー密度であるために、一部実用化され、更に高性能化するために近年盛んに研究が行われている。このリチウム二次電池の正極材料として現在市販されているものはＬｉＣｏＯ２である。しかし、ＬｉＣｏＯ２の原料であるコバルトが高価であるために、より安価な原料であるマンガンを用いたＬｉＭｎ２Ｏ４が注目されている。
【０００３】
しかし、ＬｉＭｎ２Ｏ４は充放電サイクルを繰り返すことにより、正極活物質中のＭｎがＭｎイオンとなって溶出し、溶出したＭｎは充放電の過程で負極上に金属Ｍｎとして析出する。この負極上に析出した金属Ｍｎは電解液中のリチウムイオンと反応し、その結果、二次電池としての大きな容量低下を生じさせる。
【０００４】
これらの点を改良するにあたり種々の方法が採用されている。例えば、特許文献１ではマンガン酸化物の粒子の表面を高分子で覆うことによりマンガンの溶出を防止する方法が紹介されており、特許文献２ではマンガン酸化物の粒子の表面をホウ素で覆うことによりマンガンの溶出を防止する方法が紹介されている。また、特許文献３，特許文献４及び非特許文献１では、ＬｉＭｎ２Ｏ４結晶中に別の組成を有する類似の構造の物質を包含させることにより、マンガンの溶出を防止することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００‐２３１９１９号公報（２０００年８月２２日公開）
【特許文献２】特開平９‐２６５９８４号公報（１９９７年１０月７日公開）
【特許文献３】特開２００１‐１７６５１３号公報（２００１年６月２９日公開）
【特許文献４】特開２００３‐２７２６３１号公報（２００３年９月２６日公開）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Mitsuhiro Hibino, Masayuki Nakamura, Yuji Kamitaka, Naoshi Ozawa and Takeshi Yao, Solid State Ionics Volume 177, Issues 26-32, 31 October 2006, Pages 2653-2656.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術では、正極活物質からＭｎの流出を抑制することができるものの、他の不具合が生じるという問題がある。
【０００８】
具体的には、特許文献１，特許文献２に開示された正極活物質では絶縁体である別の物質でＬｉＭｎ２Ｏ４の表面を被覆する為に、ＬｉＭｎ２Ｏ４粒子からの電気抵抗が著しく増加し、二次電池の出力特性が低下するという欠点を有している。
【０００９】
また、特許文献３，特許文献４および非特許文献１に開示された正極活物質では、電極材料にＬｉＭｎ２Ｏ４結晶と類似する構造の物質を包含させることにより、高温環境における充放電に伴うＬｉＭｎ２Ｏ４のマンガンの溶出を抑制しているが、室温におけるサイクル特性については解決されていない。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、電解液中に添加剤等を混合すること無く、長寿命の正極活物質を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、主たる結晶相である主結晶相、上記主結晶相とは異なる副酸化物および第三相酸化物を含む正極活物質に関して、ラマン分光分析法によって副酸化物および第三相酸化物の存在が確認された正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、よりサイクル特性に優れることを見出した。
【００１２】
本発明の正極活物質は、上記課題を解決するために、マンガンを含有すると共にスピネル型構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物から構成される主結晶相を含み、非水系二次電池において用いられる正極活物質において、上記リチウム含有遷移金属酸化物とは異なる元素組成である１種類以上の副酸化物を含むとともに、上記主結晶相および上記副酸化物とは異なる第三相酸化物を含み、ラマン分光分析法によって副酸化物および第三相酸化物の存在を確認することができる状態であることを特徴としている。
【００１３】
上記正極活物質は、副酸化物がリチウム含有遷移金属酸化物と同一の酸素配列を有しているため、リチウム含有遷移金属酸化物と親和性良く存在することができる。また、上記主結晶相および上記副酸化物とは異なる第三相酸化物も含まれており、副酸化物および第三相酸化物は、上記のようにラマン分光分析法によって検出され、その存在を確認できる。すなわち、ラマン分光分析法によって検出される程度に結晶が残っていることにより、正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、よりサイクル特性に優れることを本発明者らは見出した。
【００１４】
上記の構成により、充放電に関与しない、副酸化物と共に第三相酸化物がマンガンを含有するリチウム含有遷移金属酸化物のリチウムの脱離または挿入に伴う膨張または収縮を物理的に抑制することができる。
【００１５】
その結果、正極活物質を構成する結晶粒子群の変形を低下させることができ、その結果、結晶粒子群の割れ等による容量低下を低減させることができる。すなわち、電解液中に添加剤等を混合すること無く、Ｍｎの溶出を防止し、長寿命の正極活物質を提供することができる。
【００１６】
また、本発明の正極活物質では、上記副酸化物は、典型元素およびマンガンを含むことが好ましい。
【００１７】
副酸化物が典型元素およびマンガンを含むことによって、リチウム含有遷移金属酸化物と共通の酸素配列を介して構成される副酸化物がさらに安定化される。これにより、副酸化物および第三相酸化物によって、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。
【００１８】
また、本発明の正極活物質では、上記副酸化物は、亜鉛およびマンガンを含むことが好ましい。
【００１９】
副酸化物が亜鉛およびマンガンを含むことによって、副酸化物の酸素配列を非常に安定化させることができるので、副酸化物および第三相酸化物によって、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。
【００２０】
また、本発明の正極活物質では、上記第三相酸化物はＳｎＯ２（IV）であることが好ましい。
【００２１】
第三相酸化物が酸化スズ（IV）であることによって、本発明の正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、よりサイクル特性に優れる二次電池を提供することができる。
【００２２】
また、本発明に係る正極活物質では、全体の組成を以下の一般式Ａで示すとき、０．０１≦ｘ≦０．２０であることが好ましい。
一般式Ａ：Ｌｉ１−ｘＭ１２−２ｘＭ２ｘＭ３２ｘＯ４−ｙ
（但し、Ｍ１はマンガンを示すか、または、遷移金属元素の少なくとも１種類以上およびマンガンを示し、Ｍ２およびＭ３は典型元素または遷移金属元素の少なくとも１種類以上の元素を示し、Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に含まれる元素は互いに異なる。ｙはｘと電気的中性を満足する値である。）
ｘが上記の範囲であれば、放電容量の低下を招くことなく、正極活物質からＭｎの拡散を防ぐ効果が低下すること、および、サイクル特性の効果が小さくなることを回避することができる。
【００２３】
また、本発明の正極活物質では、上記リチウム含有遷移金属酸化物は、遷移金属としてマンガンのみを含有することが好ましい。
【００２４】
上記構成であれば、リチウム含有酸化物を簡便に合成することができる。
【００２５】
また、本発明の正極活物質では、上記ラマン分光分析法において確認されるラマンピークが、亜鉛およびマンガンを含む酸化物に由来することが好ましい。
【００２６】
このように亜鉛およびマンガンを含む酸化物に由来するピークが確認される、すなわち、正極活物質に亜鉛およびマンガンを含む酸化物が含まれることによって、副酸化物の酸素配列を非常に安定化させることができる。これにより、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。
【００２７】
また、本発明の正極活物質では、上記ラマンピークが、約６７８ｃｍ−１、約３８２ｃｍ−１、約３２１ｃｍ−１、約３００ｃｍ−１に確認されることが好ましい。
【００２８】
これらのラマンピークが確認されることにより、正極活物質に亜鉛およびマンガンを含む酸化物が含まれているとの確認が可能である。
【００２９】
また、本発明の正極活物質では、上記副酸化物の亜鉛およびマンガンの組成比Ｍｎ／Ｚｎが、２≦Ｍｎ／Ｚｎ＜４であることが好ましい。
【００３０】
亜鉛およびマンガンの元素比が上記の範囲内であれば、好ましくＭｎの溶出を低減できる。
【００３１】
また、本発明の正極活物質では、上記主結晶相のラマン分光分析法における約６２３ｃｍ−１のラマンピーク強度をＡとし、上記亜鉛およびマンガンからなる酸化物のラマン分光分析法における約３２１ｃｍ−１のラマンピーク強度をＢとしたとき、強度比Ｂ／Ａが、０．０５≦Ｂ／Ａ≦０．２であることが好ましい。
【００３２】
ピーク強度比Ｂ／Ａが上記の範囲内であれば、主結晶相と副酸化物との存在比が好ましく調整されており、リチウム含有遷移金属酸化物からＭｎの溶出をさらに低減できる。
【００３３】
また、本発明の正極活物質では、上記ラマン分光分析法において確認されるラマンピークが、ＳｎＯ２（IV）に由来することが好ましい。
【００３４】
このようにＳｎＯ２（IV）に由来するピークが確認される、すなわち、正極活物質にＳｎＯ２（IV）が含まれることによって、本発明の正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、よりサイクル特性に優れる二次電池を提供することができる。
【００３５】
また、本発明の正極活物質では、上記ラマンピークが、約７７４ｃｍ−１、約６３０ｃｍ−１、約４７４ｃｍ−１に確認されることが好ましい。
【００３６】
これらのピークが確認されることにより、正極活物質にＳｎＯ２（IV）が含まれているとの確認が可能である。
【００３７】
また、本発明の正極活物質では、上記主結晶相のラマン分光分析法における約６２３ｃｍ−１のラマンピーク強度をＣとし、上記ＳｎＯ２（IV）のラマン分光分析法における約７７４ｃｍ−１のラマンピーク強度をＤとしたとき、強度比Ｄ／Ｃが、０．０８≦Ｄ／Ｃ≦０．２であることが好ましい。
【００３８】
ピーク強度比Ｄ／Ｃが上記の範囲内であれば、リチウム含有遷移金属酸化物からＭｎの溶出をさらに低減できる。
【００３９】
また、本発明の正極活物質では、上記リチウム含有遷移金属酸化物の格子定数が、８．２２Å以上、８．２５Å以下であることが好ましい。
【００４０】
リチウム含有遷移金属酸化物の格子定数が上記の範囲であることによって、副酸化物がリチウム含有遷移金属酸化物と共通の酸素配列を有し易くなるという好ましい効果を得ることができる。
【００４１】
また、本発明の非水系二次電池は、正極、負極および非水系のイオン伝導体を備える非水系二次電池において、上記負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを挿入または脱離可能な負極活物質を含んでおり、上記正極は、上記正極活物質を含むものである。
【００４２】
上記発明によれば、Ｍｎの溶出の低減が実現でき、サイクル特性が大きく向上された非水電解質二次電池の提供が可能である。さらに、放電容量の低下が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の正極活物質では、以上のように、マンガンを含有すると共にスピネル型構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物から構成される主結晶相を含み、非水系二次電池において用いられる正極活物質において、上記リチウム含有遷移金属酸化物とは異なる元素組成である１種類以上の副酸化物を含むとともに、上記主結晶相および上記副酸化物とは異なる第三相酸化物を含み、ラマン分光分析法によって副酸化物および第三相酸化物の存在を確認することができる状態であるものである。
【００４４】
それゆえ、正極活物質を構成する結晶粒子群の内部応力を低下させることができ、その結果、結晶粒子群の割れ等による容量低下を低減させることができる。すなわち、電界液中に添加剤等を混合すること無く、Ｍｎの溶出を防止し、長寿命の正極活物質を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例１にて得られた正極活物質のラマン分光分析法の測定結果である。
【図２】実施例２にて得られた正極活物質のラマン分光分析法の測定結果である。
【図３】実施例３にて得られた正極活物質のラマン分光分析法の測定結果である。
【図４】実施例４にて得られた正極活物質のラマン分光分析法の測定結果である。
【図５】実施例５にて得られた正極活物質のラマン分光分析法の測定結果である。
【図６】比較例１にて得られた正極活物質のラマン分光分析法の測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明を更に詳しく説明する。なお、本明細書において、非水電解質二次電池用正極活物質を正極活物質、非水電解質二次電池用正極を正極、非水電解質二次電池を二次電池、上記リチウム含有遷移金属酸化物をリチウム含有酸化物と適宜略す。
【００４７】
＜正極活物質＞
本発明に係る正極活物質は、主たる結晶相（以下、単に主結晶相と適宜略す）および副酸化物を含み、さらに、上記主結晶相および副酸化物と異なる第三相酸化物を含んでいる。主結晶相の結晶構造は、マンガンを含有すると共にスピネル型構造を有するリチウム含有酸化物から構成されている。
【００４８】
上記リチウム含有酸化物は、少なくともリチウム、マンガンおよび酸素を含んだ組成を有している。また、リチウム、マンガンおよび酸素に加えて、マンガン以外の遷移金属が実質的に含まれていてもよい。マンガン以外の遷移金属としては、正極活物質の作用を妨げなければ特に限定されるものでないが、具体的には、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏなどを挙げることができる。しかしながら、上記リチウム含有酸化物が遷移金属としてマンガンのみを含んでいる場合、リチウム含有酸化物を簡便に合成することができる観点から好ましい。
【００４９】
上記リチウム含有酸化物は、スピネル型構造を有しており、マンガンあるいはマンガンとそれ以外の１種類以上の遷移金属をＭとすると表記的にはＬｉ：Ｍ：Ｏ＝１：２：４と表すことができる。
【００５０】
しかし、一般的に知られるようにスピネル型構造はＬｉ：Ｍ：Ｏ＝１：２：４という組成比からずれることが多く、本発明の正極活物質においても同様であり、主結晶相であるマンガンを含有するリチウム含有遷移金属酸化物は１：２：４の組成比に限定されるものではなく、Ｌｉと遷移金属と酸素からなり、スピネル構造を有するものであれば、同様の効果が得られる。
【００５１】
具体的には、Ｌｉ：Ｍ：Ｏが１：２：４であるＬｉＭ２Ｏ４や、Ｌｉ：Ｍの比は２であるが酸素量が異なる、ＬｉＭ２Ｏ３．５からＬｉＭｎ２Ｏ４．５などの不定比化合物、あるいはＬｉ４Ｍ５Ｏ１２等が挙げられる。
【００５２】
また、本発明の正極活物質では、リチウム含有酸化物の格子定数が、８．２２Å（０．８２２ｎｍ）以上、８．２５Å（０．８２５ｎｍ）以下であることが好ましい。リチウム含有酸化物の格子定数が上記の範囲であれば、同一の酸素配列を有する副酸化物の任意の面における酸素配列の酸素原子同士の間隔および配列と一致する。これにより、副酸化物と主結晶相が親和性良く接合することが可能となるため、副酸化物が主結晶相の粒界及び界面において安定に存在することができる。
【００５３】
本実施の形態に係る正極活物質は副酸化物を含んでいる。副酸化物は、上記リチウム含有酸化物と同一の酸素配列を有し、かつ、異なる元素組成である。酸素配列がリチウム含有酸化物と同じであることにより、副酸化物が主結晶相であるマンガンを含有するリチウム含有酸化物の粒界及び界面に親和性良く存在することができる。
【００５４】
ここで、同一の酸素配列を有するとは、リチウム含有酸化物および副酸化物が立方最密を基本とする酸素配列をもとに有することを示す。なお、この酸素配列は完全な立方最密構造でなくてもよく、具体的には任意の軸方向に歪んでいてもよく、また一部の酸素欠陥があってもよく、あるいは酸素の欠損が規則的に配列していてもよい。上記リチウム含有酸化物および副酸化物の結晶系は立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶、三方晶、六方晶あるいは三斜晶のいずれであってもよく、互いに異なっていても、等しくてもよい。
【００５５】
副酸化物の組成のうち、立方晶の例としてはＭｇＡｌ２Ｏ４が、正方晶の例としてはＺｎＭｎ２Ｏ４が、斜方晶の例としてはＣａＭｎ２Ｏ４が挙げられる。なお、これらの副酸化物の組成は化学量論的である必要は無くＭｇやＺｎの一部がＬｉなどの他の元素で置換されていてもよいし、あるいは欠陥を含んでいてもよい。
【００５６】
このように副酸化物の酸素配列がリチウム含有酸化物の酸素配列と同一である場合、この同一の酸素配列を介して副酸化物と主結晶相が親和性良く接合することが可能となるために、副酸化物が主結晶相において安定に存在することができる。
【００５７】
上記副酸化物の具体例としては、リチウム含有酸化物がＬｉＭｎ２Ｏ４である場合、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＦｅ２Ｏ４、および、ＭｇＡｌ２-ＸＦｅＸＯ４（０≦ｘ≦２）などの固溶体、ＭｇＭｎ２Ｏ４、ＭｎＡｌ２Ｏ４、ＺｎＭｎ２Ｏ４、ＣａＭｎ２Ｏ４、および、ＳｎＭｎ２Ｏ４などのＭｎを有するスピネル型化合物、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｚｎ０．３３Ａｌ２．４５Ｏ４、ＳｎＭｇ２Ｏ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４等のＺｎ−Ｓｎ系スピネル化合物、ＭｇＡｌ２Ｏ４等のＭｇ-Ａｌ系スピネル型化合物、ＴｉＺｎ２Ｏ４、ＴｉＭｎ２Ｏ４、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４、ＺｎＣｒ２Ｏ４、ＺｎＶ２Ｏ４、および、ＳｎＣｏ２Ｏ４等のスピネル型化合物を例示することができる。
【００５８】
また、上記副酸化物は、典型元素およびマンガンを含むことが好ましい。これにより、正極活物質活物質と共通の酸素配列を介して構成される副酸化物がさらに安定化される。したがって、副酸化物からＭｎが溶出することを特に好ましく低減させることができる。上記典型元素とは、特に限定されるものではないが、マグネシウム、亜鉛などを挙げることができる。なお、典型元素および遷移金属元素の定義については、参考文献（コットン・ウィルキンソン著、中原勝儼訳、「無機化学＜上＞」（東京、培風館、１９９１年））に記載されている。
【００５９】
なお、遷移金属元素は不完全に電子が満たされたｄ軌道をもつ元素、あるいはそのような陽イオンを生じる元素であり、典型元素はそれ以外の元素を指す。例えば、亜鉛原子Ｚｎの電子配置は１ｓ２２ｓ２２ｐ６３ｓ２３ｐ６４ｓ２３ｄ１０であり、亜鉛の陽イオンはＺｎ２＋で、１ｓ２２ｓ２２ｐ６３ｓ２３ｐ６３ｄ１０である。原子も陽イオンも３ｄ１０であり、「不完全に満たされたｄ軌道」を持たないので、Ｚｎは典型元素である。
【００６０】
また、上記副酸化物は、亜鉛およびマンガンを含むことが特に好ましい。これにより、リチウム含有酸化物と共通の酸素配列を介して構成される副酸化物を非常に安定化させることができる。その結果、副酸化物および第三相酸化物によって、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。また、副酸化物が亜鉛およびマンガンを含む場合、マンガンおよび亜鉛の組成比Ｍｎ／Ｚｎが、２≦Ｍｎ／Ｚｎ＜４であることが好ましい。亜鉛およびマンガンの元素比が上記の範囲内であれば、好ましくＭｎの溶出を低減できる。
【００６１】
本発明の正極活物質は第三相酸化物を含んでいる。第三相酸化物は、上記リチウム含有酸化物および上記副酸化物と異なるものであればよく特に限定されるものではない。上記「異なる」とは、具体的には、化合物の種類が異なることをいう。
【００６２】
一例として、酸化スズ（IV）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を挙げることができる。これらの第三相酸化物は単独で正極活物質に含まれていてもよいし、複数種類で正極活物質に含まれていてもよい。
【００６３】
上記第三相酸化物は、正極活物質に含まれていればよい。すなわち、主結晶相に含まれていてもよい。さらに、主結晶相中の副酸化物に含まれていてもかまわない。
【００６４】
本発明の正極活物質では、副酸化物および第三相酸化物は、ラマン分光分析法によってその存在を確認することができる状態となっている。これにより、正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、二次電池のサイクル特性がより優れるという効果が得られる。特に、上記第三相酸化物が酸化スズ（IV）である場合、サイクル特性をさらに向上させることができる点で好ましい。
【００６５】
本発明の正極活物質において副酸化物および第三相酸化物の混合量が多い場合、正極活物質におけるリチウム含有酸化物の相対量が減少することとなる。このような正極活物質を二次電池の正極材料として用いた場合、二次電池の放電容量を減少させるおそれがある。一方、副酸化物および第三相酸化物の混合量が少ない場合、主結晶相からのＭｎの溶出を抑制させる効果が低減し、二次電池のサイクル特性を向上させる効果が低減するため好ましくない。
【００６６】
これらの両事項を考慮すると、正極活物質に対する上記副酸化物および第三相酸化物の混合量は、放電容量の低下と、サイクル特性を向上させる効果とのバランスを考慮すると、正極活物質を以下の一般式Ａと示すことができる。
【００６７】
Ｌｉ１−ｘＭ１２−２ｘＭ２ｘＭ３２ｘＯ４−ｙ・・・（一般式Ａ）
（但し、Ｍ１はマンガンを示すか、または、遷移金属元素の少なくとも１種類以上およびマンガンを示し、Ｍ２およびＭ３は典型元素または遷移金属元素の少なくとも１種類以上の元素を示し、Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に含まれる元素は互いに異なる。ｙはｘと電気的中性を満足する値である。）
におけるｘが０．０１≦ｘ≦０．２０であることが好ましく、０．０２≦ｘ≦０．１０であることがさらに好ましく、０．０３≦ｘ≦０．０７であることが非常に好ましい。
【００６８】
また、Ｍ２がスズであるか、スズを含む場合、正極活物質を以下の一般式Ｂと示すことができる。ｘの範囲および好ましい範囲は一般式Ａの場合と同じである。
Ｌｉ１−ｘＭ１２−２ｘＭ２ｘＭ３２ｘＯ４−ｙ・・・（一般式Ｂ）
（但し、Ｍ１はマンガンを示すか、または、遷移金属元素の少なくとも１種類以上およびマンガンを示し、Ｍ２はスズを示すか、または、典型金属元素および遷移金属元素のうち少なくとも１種類以上並びにスズを示し、Ｍ３は典型金属元素または遷移金属元素の少なくとも１種類以上を示し、Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に含まれる元素は互いに異なる。また、ｙはｘと電気的中性を満足する値である。）
一方、ｙに関しては０≦ｙ≦２．０であることが好ましく、０≦ｙ≦１．０であるとさらに好ましく、０≦ｙ≦０．５であれば特に好ましい。ｙはｘと電気的中性を満足する値であり、ｙ＝０となる場合もある。    
【００６９】
Ｍ２およびＭ３の具体例としては、第三相酸化物が酸化スズ（IV）である場合、（i）Ｍ２がＳｎであり、Ｍ３がＺｎである場合、および、（ii）Ｍ２がＳｎおよびＭｇであり、Ｍ３がＡｌである場合などが挙げられる。
【００７０】
本実施の形態に係る正極活物質は、本発明者らによる鋭意検討の結果、以下の状態であることが見出された。
【００７１】
すなわち、本実施の形態に係る正極活物質は、ラマン分光分析法によって副酸化物および第三相酸化物の存在を確認できる状態にて、上記副酸化物および上記第三相酸化物を含んでいる。
【００７２】
また、本発明の正極活物質では、副酸化物が亜鉛およびマンガンを含む酸化物を含むことが好ましく、例えば、ＺｎＭｎ２Ｏ４を含むことが好ましい。この場合、ラマン分光分析法において、亜鉛およびマンガンを含む酸化物に由来するラマンピークが確認されることとなる。このような場合、副酸化物の酸素配列を非常に安定化させることができる。これにより、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。
【００７３】
特に、上記主結晶相のラマン分光分析法における約６２３ｃｍ−１のラマンピーク強度をＡとし、上記亜鉛およびマンガンからなる酸化物のラマン分光分析法における約３２１ｃｍ−１のラマンピーク強度をＢとしたとき、強度比Ｂ／Ａが、０．０５≦Ｂ／Ａ≦０．２であることが好ましい。ピーク強度比Ｂ／Ａが上記の範囲内であれば、主結晶相と副酸化物との存在比が好ましく調整されており、リチウム含有酸化物からＭｎの溶出をさらに低減できる。
【００７４】
さらに、副酸化物が亜鉛およびマンガンを含む酸化物を含む場合、ラマンピークが、約６７８ｃｍ−１、約３８２ｃｍ−１、約３２１ｃｍ−１、約３００ｃｍ−１に確認されることが好ましい。これらのラマンピークが確認されることにより、正極活物質に亜鉛およびマンガンを含む酸化物が含まれているとの確認が可能である。なお、上記ラマンピークが所定のｃｍ−１（約６７８ｃｍ−１、約３８２ｃｍ−１、約３２１ｃｍ−１、約３００ｃｍ−１など）に確認されるとは、一定の幅を有するラマンピークの一部が所定のｃｍ−１に確認されればよく、ラマンピークの頂点が所定のｃｍ−１に確認されなくともよい。本明細書の他の箇所においても同様である。
【００７５】
また、本発明の正極活物質では、第三相酸化物はＳｎＯ２（IV）であることが好ましく、この場合、ラマン分光分析法において、ＳｎＯ２（IV）を含む酸化物に由来するラマンピークが確認されることとなる。このような場合、本発明の正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、よりサイクル特性に優れる二次電池を提供することができる。
【００７６】
さらに、第三相酸化物ＳｎＯ２（IV）である場合、約７７４ｃｍ−１、約６３０ｃｍ−１、約４７４ｃｍ−１に確認されることが好ましい。これらのラマンピークが確認されることによって、正極活物質にＳｎＯ２（IV）が含まれているとの確認が可能である。
【００７７】
特に、上記主結晶相のラマン分光分析法における約６２３ｃｍ−１のラマンピーク強度をＣとし、上記ＳｎＯ２（IV）のラマン分光分析法における約約７７４ｃｍ−１のラマンピーク強度をＤとしたとき、強度比Ｄ／Ｃが、０．０８≦Ｄ／Ｃ≦０．２であることが好ましい。ピーク強度比Ｄ／Ｃが上記の範囲内であれば、リチウム含有酸化物からＭｎの溶出をさらに低減できる。
【００７８】
＜二次電池の製造方法＞
二次電池の製造方法について以下に説明するが、まず、正極活物質の製造方法について説明する。正極活物質の製造方法としては、例えば、（１）副酸化物の原料となる別スピネルの原料に、リチウム含有酸化物および副酸化物と異なる酸化物を加えた状態にて焼成を行い、その後、得られた別スピネルに、リチウム含有酸化物の原料であるリチウム源材料とマンガン源材料とを混合して焼成することによって正極活物質を製造する。（２）別スピネルの原料にリチウム含有酸化物および副酸化物と異なる酸化物を加えた状態にて焼成を行い、その後、得られた別スピネルに、合成したリチウム含有酸化物と混合して焼成することによって正極活物質を製造する。（３）別スピネルを単一相の状態にて焼成し、さらに、リチウム含有酸化物の原料であるリチウム源材料とマンガン源材料と、リチウム含有酸化物および副酸化物と異なる酸化物とを混合して焼成することによって正極活物質を製造する。（４）別スピネルを単一相の状態にて焼成し、さらに、別途、合成したリチウム含有酸化物と、リチウム含有酸化物および副酸化物と異なる酸化物とを混合して焼成することによって正極活物質を製造する、方法が挙げられるがこれらに限定されるものではない。以下に別スピネルの製造方法について説明する。
【００７９】
〔別スピネルの製造〕
別スピネルとは上記リチウム含有酸化物と同様にスピネル型構造を有する化合物である。別スピネルを製造する方法としては、特に限定されるものではなく、公知の固相法、水熱法などを用いることができる。また、ゾルゲル法、噴霧熱分解法を用いてもよい。
【００８０】
固相法によって、別スピネルを製造する場合、別スピネルに含まれる元素を含む原料が使用される。上記原料としては、上記元素を含む酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩などの塩化物を用いることができる。
【００８１】
具体的には、二酸化マンガン、炭酸マンガン、硝酸マンガン、酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、酸化亜鉛、炭酸亜鉛、硝酸亜鉛、酸化鉄、炭酸鉄、硝酸鉄、酸化スズ、炭酸スズ、硝酸スズ、酸化チタン、炭酸チタン、硝酸チタン、五酸化バナジウム、炭酸バナジウム、硝酸バナジウム、酸化コバルト、炭酸コバルト、硝酸コバルトなどを例示することができる。
【００８２】
また、上記原料として、別スピネルに含まれる元素Ｍｅ（Ｍｅはマンガン、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、スズ、チタン、バナジウムなど）を含んだ金属アルコキシドの加水分解物Ｍｅ（ＯＨ）ｘ（Ｘは元素Ｍｅの価数）、上記元素Ｍｅを含んだ金属イオンの溶液を用いることもでき、上記金属イオンの溶液は増粘剤またはキレート剤と混合された状態にて原料として用いられる。上記酸化物は単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。
【００８３】
上記増粘剤およびキレート剤としては、公知の増粘剤を用いればよく特に限定されるものではない。例えば、エチレングリコール、カルボキシメチルセルロースなどの増粘剤、および、エチレンジアミン四酢酸、エチレンジアミンなどのキレート剤を例示することができる。
【００８４】
原料中の元素量が目的となる別スピネルの組成比となるように、上記原料を混合して焼成することによって、別スピネルを得ることができる。焼成温度は用いる原料の温度によって調整されるため、一義的に設定することは困難であるが、概して４００℃以上、１５００℃以下の温度にて焼成を行うことができる。焼成を行う雰囲気は、不活性雰囲気であってもよいし、酸素を含む雰囲気であってもよい。
【００８５】
また、密閉容器中に別スピネルに含まれる元素を含む原料である酢酸塩や塩化物等をアルカリ性の水溶液に溶解し、これを加熱する水熱法によっても合成が可能である。水熱法でスピネル型化合物を合成した場合、得られたスピネル型化合物を次の正極活物質を製造する工程にて用いてもよいし、得られたスピネル型化合物に対し熱処理等を行った後に、正極活物質を製造する工程にて用いてもよい。
【００８６】
上記の方法によって得られた別スピネルの平均粒径が１００μｍより大きい場合は、粒子径を小さくすることが好ましい。例えば、乳鉢や遊星式ボールミル等で粉砕して粒子径を小さくすること、または、メッシュ等によってスピネル型化合物の粒径を分別して粒子径の小さなスピネル型化合物を次工程で用いることが挙げられる。
【００８７】
〔正極活物質の製造〕
次に、（１）・（３）別スピネル、または、酸化物を含んだ別スピネルに対して、リチウム源材料とマンガン源材料とを混合して焼成する、または、（２）・（４）別スピネル、または、酸化物を含んだ別スピネルに対して、別途、合成したリチウム含有酸化物と混合して焼成することによって正極活物質を製造する。
【００８８】
上記（１）・（３）の方法を用いる場合、まず、別スピネルおよび酸化物と、所望のリチウム含有酸化物に応じたリチウム源材料およびマンガン源材料とを配合し、焼成を行う。上記（２）・（４）の場合には、リチウム源材料およびマンガン源材料を焼成して得られたリチウム含有酸化物、別スピネルおよび酸化物を配合し、焼成を行う。
【００８９】
上記リチウム源材料としては、炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウムなどを挙げることができる。また、上記マンガン源材料としては、二酸化マンガン、硝酸マンガン、酢酸マンガン、炭酸マンガンなどを挙げることができる。なお、マンガン源材料としては、電解二酸化マンガンを用いることが好ましい。
【００９０】
また、マンガン源材料にマンガン以外の遷移金属元素を含有する遷移金属原料を併用してもよい。上記遷移金属元素としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏなどを挙げることができ、遷移金属原料としては、上記遷移金属元素の酸化物、および、炭酸塩、塩酸塩などの塩化物を用いることができる。
【００９１】
混合するリチウム源材料およびマンガン源材料（遷移金属原料を含む）（並びに、別スピネルと酸化物を焼成していない場合、酸化物）を選定した後に、上記リチウム源材料中のＬｉの比率と、マンガン源材料（遷移金属原料を含む）との比率とを、所望のリチウム含有酸化物の比率となるようにリチウム源材料およびマンガン源材料（遷移金属原料を含む）（並びに必要に応じて酸化物）をスピネル型化合物に配合する。例えば、所望のリチウム含有酸化物がＬｉＭ２Ｏ４の場合（Ｍはマンガンあるいはマンガンとそれ以外の１種類以上の遷移金属）、ＬｉとＭとの比率が１：２となるように、リチウム源材料およびマンガン源材料（遷移金属原料を含む）の配合量を設定する。
【００９２】
別スピネル、リチウム源材料およびマンガン源材料（並びに、酸化物）を設定した配合量にて配合した後、これらを均一に混合する（混合工程）。混合の際には、乳鉢、遊星型ボールミル等の公知の混合器具を用いて行えばよい。
【００９３】
混合方法として、別スピネル、リチウム源材料及びマンガン源材料（並びに、酸化物）の全量を一度に混合してもよいし、別スピネルの全量に対してリチウム源材料およびマンガン源材料を少量ずつ追加しながら混合してもよい。後者の場合、別スピネルの濃度を徐々に低下させることができ、より均一に混合を行うことができるので好ましい。
【００９４】
混合された原料に対し、さらに焼成を行うことによって正極活物質を製造する（焼成工程）。上記混合された原料は、焼成の便宜上、ペレット状に加圧成形して焼成することが好ましい。焼成温度は、混合された原料の種類によって設定されるが、概して４００℃以上、１０００℃以下の温度範囲にて焼成を行うことができる。
【００９５】
また、焼成時間は、長時間であると、副酸化物が成長し、粒子径が増大する結果、副酸化物の存在が回折法によって確認することが可能となるため好ましくない。一方、焼成時間が短時間であると、正極活物質自体を製造できないおそれがある。このため、焼成時間は、０．１時間以上、１２時間以下であることが好ましく、０．５時間以上、８時間以下であることがより好ましい。
【００９６】
焼成は空気雰囲気下で行ってもよく、空気中よりも酸素濃度を高めた雰囲気下で行ってもよい。また焼成工程は数回繰り返してもよい。その場合、１回目の焼成（仮焼成）温度と２回目以降の焼成温度を同じにしてもよいし、異なる温度で焼成してもよい。さらに、焼成を複数回繰り返す場合、複数の焼成工程の間に一旦試料を粉砕して再度ペレット状に加圧形成することもできる。
【００９７】
正極活物質の製造方法の中でも、スピネル化合物であるＺｎ２ＳｎＯ４を単一相の状態で合成し、その後、リチウム源材料およびＭｎ原料を混合して焼成する方法によって得られた正極活物質が、二次電池のサイクル特性を大きく向上させることできるため非常に好ましい。
【００９８】
〔正極の製造〕
上述のようにして得られた正極活物質は、以下の公知の手順にて正極に加工される。正極は、上記正極活物質、導電剤、結着剤を混合した合剤を用いて形成される。
【００９９】
上記導電材としては公知の導電材を用いることができ、特に限定されるものではない。一例として、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素類、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）粉末、金属粉末、金属繊維等を挙げることができる。
【０１００】
上記結着材としては公知の結着材を用いることができ、特に限定されるものではない。一例として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー等のポリオレフィン系ポリマー、スチレンブタジエンゴム等を挙げることができる。
【０１０１】
導電材および結着材の適切な混合比は、混合する導電材および結着材の種類により異なるため、一義的に設定することは困難であるが、概して正極活物質１００重量部に対して、導電材を１重量部以上、５０重量部以下、結着材を１重量部以上、３０重量部以下とすることができる。
【０１０２】
導電材の混合比が１重量部未満であると、正極の抵抗あるいは分極等が大きくなり、放電容量が小さくなるため、得られた正極を用いて実用的な二次電池が作製できないこととなる。一方、導電材の混合比が５０重量部を超えると正極内に含まれる正極活物質の混合比率が減少するため、正極としての放電容量が小さくなる。
【０１０３】
また、結着材の混合量が、１重量部未満であると結着効果が発現しないおそれがある。一方、３０重量部を超えると、導電材の場合と同様に、電極内に含まれる活物質量が減り、さらに、上記記載のように、正極の抵抗あるいは分極等が大きくなり、放電容量が小さくなるため実用的ではない。
【０１０４】
合剤には、導電剤や結着剤の他、フィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤およびその他の各種添加剤を用いることができる。フィラーは、構成された二次電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば特に限定されることなく用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレン、などのオレフィン系ポリマー、ガラスなどの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、上記合剤に対して０重量部以上、３０重量部以下であることが好ましい。
【０１０５】
上記正極活物質、導電剤、結着剤、および、各種添加剤などを混合した合剤を正極として形成する方法としては、特に限定されるものではない。一例として、合剤を圧縮によってペレット状の正極を形成する方法、合剤に適切な溶媒を添加してペーストを形成し、このペーストを集電体上に塗布した後に、乾燥、さらに圧縮を行うことによってシート状の正極を形成する方法などが挙げられる。
【０１０６】
正極中の正極活物質から、または、正極活物質への電子の授受は、集電体によって行われる。このため、得られた正極活物質には集電体を配置する。上記集電体としては、金属単体、合金、炭素などが用いられる。例えば、チタン、アルミニウムなどの金属単体、ステンレス鋼などの合金、カーボンなどを挙げることができる。また、銅、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、チタン、銀の層が形成されたもの、または、銅、アルミニウムやステンレス鋼の表面を酸化した集電体を用いることもできる。
【０１０７】
集電体の形状は、箔の他、フィルム、シート、ネット、パンチされた形状を挙げることができ、集電体の構成としては、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などを挙げることができる。集電体の厚さは１μｍ以上、１ｍｍ以下のものが用いられるが特に限定はされない。
【０１０８】
〔負極の製造〕
本発明の二次電池が有する負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを挿入または脱離可能な負極活物質を含むものである。換言すると、上記負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを吸蔵または放出可能な負極活物質を含むものということもできる。
【０１０９】
上記負極活物質としては公知の負極活物質を用いればよい。一例として、リチウム合金類：金属リチウム、リチウム／アルミ合金、リチウム／スズ合金、リチウム／鉛合金、ウッド合金など、電気化学的にリチウムイオンをドープおよび脱ドープできる物質：導電性高分子（ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン等）、熱分解炭素、触媒の存在下で気相熱分解された熱分解炭素、ピッチ、コークス、タール等から焼成した炭素、セルロース、フェノール樹脂等の高分子より焼成した炭素など、リチウムイオンのインターカレーション／デインターカレーションの可能な黒鉛：天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など、および、リチウムイオンをドープおよび脱ドープできる無機化合物：ＷＯ２、ＭｏＯ２などの物質を挙げることができる。これらの物質は、単独で用いてもよいし、複数種類からなる複合体を用いることもできる。
【０１１０】
これらの負極活物質のうち、熱分解炭素、触媒の存在下で気相熱分解された熱分解炭素、ピッチ、コークス、タール等から焼成した炭素、高分子より焼成した炭素などや、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等）を用いると、電池特性、特に安全性の面で好ましい二次電池を作製することができる。特に、高電圧の二次電池を作製するためには黒鉛を用いることが好ましい。
【０１１１】
負極活物質に導電性高分子、炭素、黒鉛、無機化合物等を用いて負極とする場合、導電材と結着材が添加されてもよい。
【０１１２】
導電材には、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素類や、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）粉末、金属粉末、金属繊維等を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【０１１３】
また、結着材には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー等のポリオレフィン系ポリマー、スチレンブタジエンゴム等を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【０１１４】
〔イオン伝導体および二次電池の形成方法〕
本発明に係る二次電池を構成するイオン伝導体としては、公知のイオン伝導体を用いることができる。例えば、有機電解液、固体電解質（無機固体電解質、有機固体電解質）、溶融塩などを用いることができ、この中でも有機電解液を好適に用いることができる。
【０１１５】
有機電解液は有機溶媒と電解質とから構成される。有機溶媒として、非プロトン性有機溶媒であるプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトンなどのエステル類、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランなどの置換テトラヒドロフラン類、ジオキソラン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタンなどのエーテル類、ジメチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチルなどの一般的な有機溶媒を挙げることができる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上の混合溶媒として使用してもよい。
【０１１６】
また電解質として、過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム、リンフッ化リチウム、６フッ化砒酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ハロゲン化リチウム、塩化アルミン酸リチウム等のリチウム塩が挙げられ、これらは１種または２種以上を混合して使用される。上述の溶媒に対し適切な電解質を選択し、両者を溶解することによって有機電解液を調製する。なお、有機電解液を調製する際に使用する溶媒、電解質は、上記に掲げたものに限定されるものではない。
【０１１７】
固体電解質である無機固体電解質としては、Ｌｉの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などを挙げることができる。例えば、Ｌｉ３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ４ＳｉＯ４、硫化リン化合物、Ｌｉ２ＳｉＳ３などを挙げることができる。
【０１１８】
固体電解質である有機固体電解質としては、有機電解液を構成する上記電解質と電解質の解離を行う高分子とから構成された物質、高分子にイオン解離基を持たせた物質などが挙げられる。
【０１１９】
電解質の解離を行う高分子として、例えば、ポリエチレンオキサイド誘導体もしくは該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体もしくは該誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマーなどを挙げることができる。また、その他に上記非プロトン性極性溶媒を含有させた高分子マトリックス材料、イオン解離基を含むポリマーと上記非プロトン性電解液との混合物、ポリアクリロニトリルを上記電解液に添加する方法もある。また、無機固体電解質および有機固体電解質を併用する方法も知られている。
【０１２０】
二次電池内において、上記電解液を保持するためのセパレータとしては、電気絶縁性の合成樹脂繊維、ガラス繊維、天然繊維などの不織布、織布、ミクロポア構造材料、アルミナなどの粉末の成形体などが挙げられる。中でも合成樹脂のポリエチレン、ポリプロピレンなどの不織布、ミクロポア構造体が品質の安定性などの点から好ましい。これら合成樹脂の不織布およびミクロポア構造体では電池が異常発熱した場合、セパレータが熱により溶解して正極と負極の間を遮断する機能を付加したものもあり、安全性の観点からこれらも好適に使用することができる。セパレータの厚みは特に限定はないが、必要量の電解液を保持することが可能で、かつ正極と負極との短絡を防ぐ厚さがあればよい。通常、０．０１ｍｍ以上、１ｍｍ以下程度のものを用いることができ、好ましくは０．０２ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下程度である。
【０１２１】
二次電池の形状はコイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角型などいずれにも適用できる。コイン型およびボタン型の場合、正極および負極をペレット状に形成し、蓋を備える缶構造の電池缶に正極および負極を入れ、絶縁パッキンを介して蓋をかしめる（固定する）方法が一般的である。
【０１２２】
一方、円筒型および角型の場合、シート状の正極および負極を電池缶に挿入し、二次電池とシート状の正極および負極とを電気的に接続し、電解液を注入し、絶縁パッキンを介して封口板を封口する、または、ハーメチックシールにより封口板と電池缶とを絶縁して封口し二次電池を作製する。このとき、安全素子を備えつけた安全弁を封口板として用いることができる。安全素子には、例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バイメタル、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子などが挙げられる。また、安全弁のほかに電池缶の内圧上昇の対策として、ガスケットに亀裂を入れる方法、封口板に亀裂を入れる方法、電池缶に切り込みを入れる方法等を用いる。また、過充電や過放電対策を組み込んだ外部回路を用いてもよい。
【０１２３】
ペレット状またはシート状の正極および負極は、予め乾燥または脱水されていることが好ましい。乾燥および脱水方法としては、一般的な方法を利用することができる。例えば、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低湿風等を単独あるいは組み合わせて用いる方法が挙げられる。温度は５０℃以上、３８０℃以下の範囲であることが好ましい。
【０１２４】
上記電池缶への電解液の注入は、電解液に注入圧力を加える方法、負圧と大気圧との気圧差を利用する方法などが挙げられるが、上記に掲げた方法に限定されない。電解液の注入量も特に限定されないが、正極および負極とセパレータとが完全に浸る量であることが好ましい。
【０１２５】
作製した二次電池の充放電方法としては、定電流充放電方法、定電圧充放電方法および定電力充放電方法があり、電池の評価目的に応じて使い分けることが好ましい。上記方法は、単独あるいは組み合わせて充放電を行ってもよい。
【０１２６】
本発明に係る二次電池の正極は上記正極活物質を含んでいるため、Ｍｎの溶出の低減が実現でき、サイクル特性が大きく向上された非水電解質二次電池の提供が可能である。さらに、放電容量の低下が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【０１２７】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１２８】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。以下の実施例および比較例において得られた２極式セル（二次電池）および正極活物質について以下の測定を行った。
【０１２９】
＜充放電サイクル試験＞
充放電サイクル試験は、得られた２極式セルに対し、電流密度が０．５ｍＡ／ｃｍ２、電圧が４．３Ｖから３．２Ｖまでの範囲において、２５℃および６０℃の条件下において行った。
【０１３０】
２５℃条件下では、５サイクル後から１０サイクル後の放電容量の平均値を初期の放電容量とし、充放電サイクル試験による放電容量維持率は１９８サイクル後から２０２サイクル後の放電容量の平均値を２００サイクル後の放電容量とし、評価した。放電容量維持率の算出は、｛（２００サイクル後の放電容量）／（初期の放電容量）｝×１００から求めた。
【０１３１】
一方、６０℃条件下では、５サイクル後から１０サイクル後の放電容量の平均値を初期の放電容量とし、充放電サイクル試験による放電容量維持率は９８サイクル後から１０２サイクル後の放電容量の平均値を１００サイクル後の放電容量とし、評価した。放電容量維持率の算出は、｛（１００サイクル後の放電容量）／（初期の放電容量）｝×１００から求めた。
【０１３２】
＜正極活物質の粉末についてのラマン分光測定＞
以下の（１）〜（３）の方法にて、得られた正極活物質の粉末に対してラマン分光測定を行い、本発明に係る正極活物質であるという確証を得た。
【０１３３】
（１）ラマン分光分析測定
ラマン分光分析測定には、オリンパス顕微鏡ＨＳ：ＢＸ４０を備えるＬａｂｒａｍ  Ｄｉｌｏｒラマン分光計ＨＤ１０を用いた。波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを直径約２ｍｍのサンプル表面に焦点を合わせ、散乱光を同じ顕微鏡対物レンズにより集光した。その結果、散乱光は後方散乱幾何学にほぼ従った。続いて、ラマンスペクトルを多重チャンネルのダイオードアレイ検出器によって記録した。なお、サンプルの過熱を避けることができる程度に低いレーザパワーにより測定を行った。なお、同じ実験条件で集められた各スペクトル同士を比較したところ、スポットの位置への依存は全くなかった。なお、測定温度を２５℃とした。
【０１３４】
（２）ラマン分光分析測定１
上記（１）で得られたラマンスペクトルについて、主結晶相の散乱ピークＡと、副酸化物の散乱ピークＢとのピーク強度比Ｂ／Ａを測定した。
【０１３５】
（３）ラマン分光分析測定２
上記（１）で得られたラマンスペクトルについて、主結晶相の散乱ピークＣと、副酸化物の散乱ピークＤとのピーク強度比Ｄ／Ｃを測定した。
【０１３６】
〔実施例１〕
亜鉛源材料として酸化亜鉛、スズ源材料として酸化スズ（IV）を用い、これらの材料を亜鉛とスズとがモル比で２：１になるように秤量した後、自動乳鉢で５時間混合した。さらに、１０００℃、１２時間、空気雰囲気の条件下にて焼成を行うことによって焼成物を得た。焼成後、得られた焼成物を自動乳鉢で５時間粉砕および混合し、スピネル型化合物を作製した。
【０１３７】
リチウム含有酸化物を構成するリチウム源材料として炭酸リチウム、マンガン源材料として電解二酸化マンガンを用い、これらの材料をリチウムおよびマンガンがモル比にて、１：２になるように秤量した。さらに、正極活物質の全体の組成を示す一般式Ａにおいてｘ＝０．０５となるように、スピネル型化合物を秤量した。炭酸リチウム、電解二酸化マンガンおよびスピネル型化合物を自動乳鉢にて５時間混合し、５５０℃、１２時間、空気雰囲気の条件下にて仮焼成を行った。その後、得られた焼成物を自動乳鉢にて５時間粉砕および混合し、粉体を得た。
【０１３８】
上記粉体をペレット状に成型した物を８００℃、１２時間、空気雰囲気の条件下にて焼成した。その後、得られた焼成物を自動乳鉢にて５時間粉砕および混合し、正極活物質を得た。
【０１３９】
また、得られた正極活物質を８０重量部、導電材としてアセチレンブラックを１５重量部及び結着材としてポリフッ化ビニリデンを５重量部混合し、Ｎ−メチルピロリドンと混合することによってペースト状にし、厚さ２０μｍのアルミニウム箔に厚さが５０μｍ以上、１００μｍ以下になるように塗布した。上記ペーストの乾燥後にアルミニウム箔を直径１５．９５８ｍｍの円盤状に打ち抜き、真空乾燥させることによって正極を作製した。
【０１４０】
一方、負極は、所定の厚さの金属リチウム箔を直径１６．１５６ｍｍの円盤状に打ち抜いて作製した。また、非水電解質としての非水電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートを体積比で２：１で混合された溶媒に、溶質であるＬｉＰＦ６を１．０ｍｏｌ／ｌの割合にて溶かすことにより調整した。なお、セパレータとしては厚さが２５μｍで空孔率が４０％であるポリエチレン製の多孔質膜を用いた。
【０１４１】
上述の正極、負極、非水電解液およびセパレータを用いて２極式セルを作製した。得られた２極式セルに対して、充放電サイクル試験を行った。初期放電容量およびサイクル試験後の容量維持率の２５℃における測定結果を表１に、６０℃における測定結果を表２に示す。
【０１４２】
また、得られた正極活物質に対してラマン分光分析測定を行った。図１は、実施例１にて得られた正極活物質のラマン分光分析測定におけるラマン分光スペクトルを示す図である。
【０１４３】
最後に、得られた正極活物質に対してラマン分光分析測定１および２を行った。ラマン分光分析測定１によって観測される、主結晶相の散乱ピークＡと、副酸化物の散乱ピークＢとのピーク強度比Ｂ／Ａは０．１１であり、ラマン分光分析測定２によって観測される、主結晶相の散乱ピークＣと、第三相酸化物の散乱ピークＤとのピーク強度比Ｄ／Ｃは０．１３であった。
【０１４４】
〔実施例２〕
一般式Ａにおけるスピネル型化合物の混合量ｘをｘ＝０．０５からｘ＝０．０２に変更した以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示した。
【０１４５】
また、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光測定を行った。図２は、実施例２にて得られた正極活物質のラマン分光分析測定におけるラマン分光スペクトルを示す図である。
【０１４６】
さらに、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光分析測定１および２を行った。ラマン分光分析測定１によって観測される、主結晶相の散乱ピークＡと、副酸化物の散乱ピークＢとのピーク強度比Ｂ／Ａは０．１０であり、ラマン分光分析測定２によって観測される、主結晶相の散乱ピークＣと、第三相酸化物の散乱ピークＤとのピーク強度比Ｄ／Ｃは０．１１であった。
【０１４７】
〔実施例３〕
一般式Ａにおけるスピネル型化合物の混合量ｘをｘ＝０．０５からｘ＝０．１０に変更した以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示した。
【０１４８】
また、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光測定を行った。図３は、実施例３にて得られた正極活物質のラマン分光分析測定におけるラマン分光スペクトルを示す図である。
【０１４９】
さらに、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光分析測定１および２を行った。ラマン分光分析測定１によって観測される、主結晶相の散乱ピークＡと、副酸化物の散乱ピークＢとのピーク強度比Ｂ／Ａは０．１４であり、ラマン分光分析測定２によって観測される、主結晶相の散乱ピークＣと、第三相酸化物の散乱ピークＤとのピーク強度比Ｄ／Ｃは０．１５であった。
【０１５０】
〔実施例４〕
仮焼成工程後の焼成工程での焼成時間を１２時間から０．５時間に変更した以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示した。
【０１５１】
また、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光測定を行った。図４は、実施例４にて得られた正極活物質のラマン分光分析測定におけるラマン分光スペクトルを示す図である。
【０１５２】
さらに、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光分析測定１および２を行った。ラマン分光分析測定１によって観測される、主結晶相の散乱ピークＡと、副酸化物の散乱ピークＢとのピーク強度比Ｂ／Ａは０．１１であり、ラマン分光分析測定２によって観測される、主結晶相の散乱ピークＣと、第三相酸化物の散乱ピークＤとのピーク強度比Ｄ／Ｃは０．１５であった。
【０１５３】
〔実施例５〕
仮焼成工程後の焼成工程での焼成時間を１２時間から４時間に変更した以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示した。
【０１５４】
また、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光測定を行った。図５は、実施例５にて得られた正極活物質のラマン分光分析測定におけるラマン分光スペクトルを示す図である。
【０１５５】
さらに、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光分析測定１および２を行った。ラマン分光分析測定１によって観測される、主結晶相の散乱ピークＡと、副酸化物の散乱ピークＢとのピーク強度比Ｂ／Ａは０．１３であり、ラマン分光分析測定２によって観測される、主結晶相の散乱ピークＣと、第三相酸化物の散乱ピークＤとのピーク強度比Ｄ／Ｃは０．１５であった。
【０１５６】
〔比較例１〕
スピネル型化合物を全く混合することなく、リチウム源材料として炭酸リチウム、マンガン源材料として電解二酸化マンガンを用い、これらの材料をリチウムとマンガンとがモル比で１：２になるように出発物質を秤量した。炭酸リチウムおよび電解二酸化マンガンを自動乳鉢にて５時間混合し、５５０℃、１２時間、空気雰囲気の条件下にて仮焼成を行った。その後、得られた焼成物を自動乳鉢にて５時間粉砕および混合し、粉体を得た。
【０１５７】
上記粉体をペレット状に成型した物を８００℃、１２時間、空気雰囲気の条件下にて焼成した。その後、得られた焼成物を自動乳鉢にて５時間粉砕および混合し、正極活物質を得た。
【０１５８】
また、実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示す。
【０１５９】
また、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光測定を行った。図６は、比較例１にて得られた正極活物質のラマン分光分析測定におけるラマン分光スペクトルを示す図である。
【０１６０】
さらに、実施例１と同様の方法で、得られた正極活物質に対してラマン分光分析測定１および２を行った。ラマン分光分析測定１によって観測される、主結晶相の散乱ピークＡと、副酸化物の散乱ピークＢとのピーク強度比Ｂ／Ａは０であり、ラマン分光分析測定２によって観測される、主結晶相の散乱ピークＣと、第三相酸化物の散乱ピークＤとのピーク強度比Ｄ／Ｃは０であった。
【０１６１】
【表１】
2012054093.tif 000002
【０１６２】
【表２】
2012054093.tif 000003
【０１６３】
表１および表２から、実施例１〜５が、初期放電容量および放電容量維持率共に優れていることがわかる。特に、２５℃における放電容量維持率は８７％以上と非常に優れた結果を示しており、６０℃における放電容量維持率は６５％以上という良好な結果を示している。このため、本実施例に係る２極式セルでは、初期放電容量と放電容量維持率とのバランスを良好なものとすることができ、長寿命化を実現することができる。
【０１６４】
一方、比較例１では、初期放電容量は大きいものの、放電容量維持率が４３％と低い結果となっている。このため、初期放電容量と放電容量維持率とのバランスが悪く、品質が低い結果となっている。
【０１６５】
また、実施例１〜５では副酸化物がＺｎＭｎ２Ｏ４であり、第三相酸化物がＳｎＯ２である。図１〜５のグラフから、ＺｎＭｎ２Ｏ４のラマンピークが約６７８ｃｍ−１、約３８２ｃｍ−１、約３２１ｃｍ−１、約３００ｃｍ−１に確認され、ＳｎＯ２のラマンピークが約７７４ｃｍ−１、約６３０ｃｍ−１、約４７４ｃｍ−１に確認されていることが分かる。
【０１６６】
一方、図６のグラフからＬｉＭｎ２Ｏ４のラマンピークが確認され、副酸化物および第三相酸化物のピークが観測されていないことが分かる（当然ながら、ＺｎＭｎ２Ｏ４のラマンピーク約３２１ｃｍ−１およびＳｎＯ２のラマンピーク約７７４ｃｍ−１は確認されてなかった）。
【０１６７】
図１〜５のグラフでは、ＬｉＭｎ２Ｏ４のラマンピークに加えて、副酸化物および第三相酸化物のラマンピークが重複して検出されている。特に、６３０ｃｍ−１付近のラマンピークは、ＬｉＭｎ２Ｏ４およびＳｎＯ２に起因するラマンピークが重複しているため、非対称なピークとなっている。
【０１６８】
これに対して、比較例１の正極活物質では、ＬｉＭｎ２Ｏ４のラマンピークが滑らかなピークとして表れている。特に、６３０ｃｍ−１付近のラマンピークが対称形となって示されていることからも、比較例１の正極活物質ではＬｉＭｎ２Ｏ４以外に副酸化物および第三相酸化物を含まないことが明確に理解できる。以上のように、比較例１の正極活物質に対してラマン分光分析法によって副酸化物および第三相酸化物の存在を確認することができなかった。よって、比較例１で得られた正極活物質には副酸化物および第三相酸化物が含まれておらず、本発明の正極活物質とは異なるものである。
【０１６９】
以上のように、正極活物質において、上記リチウム含有遷移金属酸化物と同一の酸素配列を有し、かつ、異なる元素組成である副酸化物および第三相酸化物を含むと共に、上記副酸化物および第三相酸化物の存在が、ラマン分光分析測定によって確認できる状態により、上記２極式セルの高温における放電容量維持率（サイクル特性）が改善されることがわかった。
【０１７０】
これは主結晶相に、副酸化物および第三相酸化物が存在することにより、主結晶相内部からのＭｎの拡散が副酸化物の結晶相により物理的にブロックされる事によりＭｎの溶出が低減されるために、サイクル特性が大きく向上すると考えられる。さらに充放電反応に関与しない副酸化物および第三相酸化物が、主結晶相であるマンガンを含有するリチウム含有酸化物の結晶相に存在することにより、マンガンを含有するリチウム含有酸化物からのリチウムの脱離挿入に伴う膨張または収縮を物理的に抑制することにより、正極活物質を構成する結晶粒子群の変形を低下させることができる。その結果、結晶粒子群の割れ等による容量低下を低減させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１７１】
本発明は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする電動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられる非水電解液二次電池に適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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