JP4056271B2 - Electrode material manufacturing method, electrode material and non-aqueous electrolyte battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質電池に用いる電極材料の改良に関する。本発明は、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質二次電池に関する。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自動二輪車、電気自動車、ハイブリット電気自動車等に用いられる非水電解質二次電池に適用可能である。
【0002】
【従来の技術】
近年、移動体通信機器、携帯電子機器等の主電源として利用されているリチウム二次電池は、起電力が高く、高エネルギー密度である点に特長を有する。負極材料としてリチウム金属を用いたリチウム二次電池は、エネルギー密度は高いが、充電時に負極にデンドライトが析出し、充放電を繰り返すことによりセパレータを突き破って正極側に達し、内部短絡を起こすおそれがある。また、析出したデンドライトは比表面積が大きいため反応活性が高く、その表面で電解液中の溶媒と反応して電子伝導性を欠いた界面皮膜を形成するため、電池の内部抵抗が高くなりやすい。また、電子伝導ネットワークから孤立した粒子が生成することがあり、これらが充放電効率を低下させる要因となっている。これらの理由により、負極材料としてリチウム金属を用いたリチウム二次電池は、信頼性が低く、サイクル寿命が短いものである。
【0003】
現在、リチウム金属に替わる負極材料として、リチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料もしくは遷移金属を含むスピネル型酸化物が用いられており、実用化に至っている。通常、これらの材料は金属リチウムを析出させないため、デンドライトによる内部短絡の問題は生じない。
【0004】
一方、正極材料には、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、スピネル型のマンガン酸リチウム(LiMn2O4)(以下、マンガンスピネルという。)等があり、一部が実用化されている。これらの活物質は、リチウムに対し4V程度の電位を有することから、高エネルギー密度を有する電池を与え得る。理論容量は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムにおいては280mAh/g程度であるのに対し、マンガンスピネルにおいては148mAh/gと小さい。しかし、マンガンスピネルは、原料となるマンガン酸化物が豊富で安価であることや、充電時の熱安定性が比較的良好であることから、小型民生機器あるいはEV(電気自動車)など、種々の用途で期待されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マンガンスピネルを含む電池を特に高温環境下で保存すると、マンガンが電解液に溶出するため、保存特性やサイクル特性が損なわれるという問題がある。
この問題を改善するために、従来より主としてマンガンが占有する八面体サイトの一部を他の元素で置換する方法が試みられてきた。たとえばコバルトやクロムなどの遷移金属元素による置換、原料仕込み時にリチウムを量論量より過剰に投入することによるマンガンサイトのリチウムによる部分置換、アルミニウムやマグネシウムなどの典型元素による置換などが試みられてきた。確かにこれらの材料改質により、高温での保存特性やサイクル特性には改善が見られるが、実用上、充分なレベルには至っていない。
【0006】
高温保存特性などが改善される理由は、八面体サイトを占有するマンガンの一部が固溶元素で置換されることで、共通酸素配列を介して構成される結晶相が安定化され、マンガンの溶出が抑制されるためであると考えられている。しかし、実用上充分な特性が得られないのは、これらの置換元素がスピネル骨格の八面体サイトを平均的に占有し、近接する各四面体サイトが主としてリチウムによって占有されたままの状態であるためと考えられる。すなわち、結晶構造の安定化に寄与する置換元素が、スピネル骨格の構成単位の八面体サイトと四面体サイトに同時に存在しないためと考えられる。
【0007】
本発明の主たる目的は、非水電解質電池用の電極材料において、特にマンガンスピネルを正極活物質とした場合に、マンガンの電解液への溶出を抑制することを目的とする。すなわち、保存特性およびサイクル特性、特に高温での保存特性やサイクル特性に優れたマンガンスピネル材料を提供すると同時に、これを用いた非水電解質電池を提供することを目的とする。
ただし、本発明の技術的思想は、マンガンスピネル材料に限らず、電気化学的高活性相と電気化学的低活性相とからなり、低活性相により高活性相の安定化を図る電極材料一般に共通するものである。
そこで、本発明は、マンガンスピネル材料に限らず、電気化学的高活性相と電気化学的低活性相とからなり、かつ、高温での保存特性、サイクル特性等に優れた電極材料を広く提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
特開2000−176513号公報は、上記のような目的で、スピネル型のリチウム含有遷移金属酸化物の結晶相に、共通酸素配列を介して異種元素の組み合わせからなる別のスピネル成分を包含させることを提案している。ここでは、別のスピネル成分は、スピネル型リチウム含有遷移金属酸化物の結晶構造を安定化させる作用を有する。
同公報では、炭酸リチウムと、電解二酸化マンガンと、塩基性炭酸マグネシウムと、水酸化アルミニウムとからなる混合物を、ペレット状に成形してから、高温で焼成して電極材料を製造している。
しかし、このような方法で製造された電極材料においては、マンガンスピネルの結晶内に、アルミニウムとマグネシウムが原子レベルで均一に存在することはない。この場合、アルミニウムによるマンガンの置換に偏った領域と、マグネシウムによるリチウムの置換に偏った領域とが存在する。そのため、電極材料の構造の安定化に寄与する別のスピネル成分であるMgAl2O4が、原子レベルの高分散状態でマンガンスピネルのマトリックスに包含されているとは言い難い。すなわち、別のスピネル成分が充分に形成されず、別のスピネル成分によるマンガンスピネルへの影響力が小さいため、電極材料の結晶構造が充分に安定化しないのである。
【0009】
本発明は、かかる点を鑑み、特開2000−176513号公報が提案する電極材料のさらなる改良を行ったものである。
すなわち、本発明は、(1)スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物aまたはその原料を調製する工程、(2)リチウム含有遷移金属酸化物aまたはその原料と、リチウム含有遷移金属酸化物aよりも電気化学的に低活性な典型元素酸化物bとを混合する工程、(3)工程(2)で得られた混合物を焼成する工程、を有し、典型元素酸化物bが、スピネル型の結晶構造を有する電極材料の製造法に関する。
【0010】
典型元素酸化物bは、周期表(IUPAC)の2族、12族、13族、14族および15族の元素よりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含む酸化物であることが好ましい。
典型元素酸化物bには、MgAl2O4を用いることが好ましい。
工程(3)では、前記混合物を600〜1000℃で焼成することが好ましい。焼成時間は24時間以下であることが好ましい。
【0011】
本発明は、また、上記の方法で製造された電極材料に関する。
本発明は、例えば、スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物aからなる相Aおよびリチウム含有遷移金属酸化物aよりも電気化学的に低活性な典型元素酸化物bからなる相Bを有し、相Bは相A中に分散しており、相Aと相Bとの界面には相Aまたは相Bの構成元素の少なくとも1種からなる中間相Cを有し、典型元素酸化物bが、スピネル型の結晶構造を有し、中間層Cが、相Aの構成元素と相Bの構成元素とが相Aと相Bとの界面で相互拡散して形成されたものである電極材料に関する。
ここで、相Bと中間相Cとは、相Aの構成元素の少なくとも1種の原子配列と共通の原子配列を有することが好ましい。
中間相Cの構成元素の少なくとも1種は、中間相Cにおいて、相Aから相Bに向かう濃度勾配を有することが好ましい。
本発明は、さらに、非水電解質と、上記の電極材料とを有する非水電解質電池に関する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の着想は、電気化学的に高活性で構造が不安定なスピネル型リチウム含有遷移金属酸化物aからなる相A(高活性相A)に、電気化学的に安定で別の化学組成を持つ典型元素酸化物bからなる相B(低活性相B)を包含させることにより、不安定な遷移金属酸化物aの安定化を図る点にある。
【0013】
すなわち、従来の技術が遷移金属酸化物aの八面体サイトにあるマンガンの一部を固溶元素で平均的に置換し、その共通酸素配列を介してスピネル結晶相の安定化を図ろうとしたものであるのに対し、本発明は、典型元素酸化物bの微粒子を遷移金属酸化物a中に分散させる点に特徴を有する。このような構造によれば、典型元素酸化物bの骨格の安定性により、それを取り囲む遷移金属酸化物aのスピネル骨格を安定化することができる。
【0014】
遷移金属酸化物aは、スピネル型の結晶構造を有するものであればその組成に制限はない。例えば、リチウムマンガン酸化物の場合、リチウムとマンガンのモル比が1:2のLiMn2O4、リチウムとマンガンのモル比が1.2:1.8のLi1.2Mn1.8O4およびリチウムとマンガンとニッケルのモル比が1:1.6:0.4のLiMn1.6Ni0.4O4のいずれにおいても、上記安定化の効果を期待することができる。
【0015】
一般に、スピネル型の結晶構造を有する酸化物をAB2O4と表す場合、Aが2価の陽イオンでBが3価の陽イオンとなる場合や、Aが4価の陽イオンでBが2価の陽イオンとなる場合がある。このとき、陽イオンの分布の仕方には、(1)四面体サイトにAイオン、八面体サイトにBイオンが配置した正スピネル構造:(A)[B2]O4、(2)四面体サイトにBイオンの半数、八面体サイトに残り半数のBイオンとAイオンが無秩序に配置した逆スピネル構造:(B)[AB]O4、(3)正スピネルと逆スピネルの中間の配置を取る中間のスピネル構造:(Ax・B1-x)[A1-x・B1+x]O4(0<x<1)がある。ここで、小括弧は四面体サイトを、大括弧は八面体サイトを表す。
【0016】
本発明でいうスピネル型の結晶構造には、正スピネル構造、逆スピネル構造および中間のスピネル構造が全て含まれる。また、スピネル構造は、立方晶系、正方晶系、六方晶系、三方晶系、斜方晶系、単斜晶系および三斜晶系のいずれに属するものでも良いが、特に立方晶系および正方晶系に属するものが好ましい。
【0017】
本発明の電極材料の製造法は、スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物aまたはその原料を調製する工程(1)、リチウム含有遷移金属酸化物aまたはその原料と、リチウム含有遷移金属酸化物aよりも電気化学的に低活性な典型元素酸化物bとを混合する工程(2)、ならびに工程(2)で得られた混合物を焼成する工程(3)を有し、典型元素酸化物bが、スピネル型の結晶構造を有する。
【0018】
工程(1)において、リチウム含有遷移金属酸化物aの原料には、通常、リチウム塩および遷移金属塩が用いられるが、リチウム塩および遷移金属塩からリチウム含有遷移金属酸化物aに至るまでの過程で得られる中間体も前記原料に含まれる。具体的には、遷移金属酸化物aの原料だけをある程度焼成して反応させて中間体を調製し、次いで、その中間体と典型元素酸化物bとを混合して、さらに焼成してもよい。
【0019】
前記リチウム塩には、炭酸リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム、酸化リチウムなどを用いることができる。
【0020】
前記遷移金属塩は、所望の遷移金属酸化物aの種類によって異なる。遷移金属酸化物aとしてLiMn2O4を用いる場合、遷移金属塩には、例えば二酸化マンガンなどを用いることができる。
【0021】
本発明の電極材料は、遷移金属酸化物aと典型元素酸化物bとを、モル比で99.9:0.1〜50:50の範囲、さらには98:2〜90:10の範囲で含むことが好ましい。原料の仕込み組成は、所望の電極材料に応じて選択すればよい。
【0022】
工程(2)において用いる典型元素酸化物bには、周期表の2族、12族、13族、14族および15族の典型元素よりなる群から選ばれる少なくとも1種、さらには2種以上を含む酸化物を用いることが好ましい。多くの典型元素は、電極材料へのリチウムの挿入・脱離に際して原子価が変化しないため、遷移金属酸化物の構造を安定化させる効果がある。
【0023】
典型元素酸化物bは、スピネル構造を有し、例えば、マグネシウムとアルミニウムをモル比1:2で含む酸化物、マグネシウムとガリウムをモル比1:2で含む酸化物、マグネシウムとインジウムをモル比1:2で含む酸化物、カルシウムとインジウムをモル比1:2で含む酸化物、バリウムとインジウムをモル比1:2で含む酸化物、ストロンチウムとインジウムをモル比1:2で含む酸化物、マグネシウムと錫をモル比2:1で含む酸化物、マグネシウムとアルミニウムとガリウムをモル比1:1:1で含む酸化物、マグネシウムとアルミニウムとガリウムをモル比1:1.2:0.8で含む酸化物などが例示される。これらの典型元素酸化物は、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。スピネル化合物の名前の由来であるMgAl2O4は、化学的に極めて安定な材料として広く知られており、とりわけ好適である。
【0024】
工程(3)では、工程(2)で得られた混合物を焼成する。焼成温度は、600〜1000℃、特に700〜900℃の範囲であることが好ましい。また、焼成時間は、24時間以下、特に0.5〜12時間の範囲であることが好ましい。高温での保存特性やサイクル特性に優れた電極材料を得る観点から、工程(3)においては混合物を充分に反応させることが好ましい。工程(3)の反応条件によって、生成する電極材料の高活性相A中に分散する低活性相Bの粒径は変化するが、低活性相Bの粒径は小さいほど好ましい。具体的には、典型元素酸化物bの0.1μm以下、さらには0.001μm以下の微粒子が島状で遷移金属酸化物aのマトリックス中に分散していることが好ましい。なお、充分に反応させた場合であっても、一旦形成された典型元素酸化物bの結晶は完全に消失しないため、典型元素酸化物bの微粒子または骨格は、遷移金属酸化物aのマトリックス中に維持される。
【0025】
本発明の製造法の場合、典型元素酸化物bの結晶を原料として用いているため、高活性相Aと低活性相Bとの界面近傍では、高活性相Aの構成元素と低活性相Bの構成元素とが相互拡散して、中間相Cが形成される。中間相Cは、各相の構成元素の相互拡散で形成されるため、中間相Cの構成元素は、高活性相Aから低活性相Bに向かう濃度勾配を有することが多い。高活性相Aの安定化には、高活性相Aと低活性相Bの両方に隣接する中間相Cが寄与していると考えられる。また、中間相Cの構造は、典型元素酸化物bから遷移金属酸化物aへと組成および構造が連続的に変化する傾斜構造になっていると考えられる。
【0026】
焼成雰囲気は、特に限定されないが、例えば0.01〜0.2MPa(0.1〜2atm)の酸素分圧を有する雰囲気中で焼成を行うことができる。
【0027】
ここでは、正極材料であるマンガンスピネルの改質例を述べたが、負極材料であり、リチウムの吸蔵・放出が可能なチタン系スピネル材料においても、チタンの溶出という問題はないものの、電気化学的な可逆性の観点ではサイクル特性改善に関して同様の考え方が成り立つ。
【0028】
本発明に用いられる負極用導電剤は、電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。
【0029】
これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレンブラック、炭素繊維が特に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、負極材料に対して1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。また、負極材料がそれ自身電子伝導性を有する場合、導電剤を添加しなくても電池として機能させることは可能である。
【0030】
本発明に用いられる負極用結着剤としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。本発明において好ましい結着剤は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロペレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体を挙げる事ができ、これらの材料を単独又は混合物として用いることができる。
【0031】
またこれらの材料の中でより好ましい材料は、スチレンブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−アクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体である。
【0032】
本発明に用いられる負極用集電体としては、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、材料としてステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂などの他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケルあるいはチタンを処理させたものなどが用いられる。特に、銅あるいは銅合金が好ましい。これらの材料の表面を酸化して用いることもできる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付けることが望ましい。形状は、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜500μmのものが用いられる。
【0033】
本発明で使用される正極用導電剤は、用いる正極材料の充放電電位において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレンブラックが特に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、正極材料に対して1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が特に好ましい。
【0034】
本発明に用いられる正極用結着剤としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。本発明に於いて好ましい結着剤は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体を挙げる事ができ、これらの材料を単独又は混合物として用いることができる。またこれらの材料の中でより好ましい材料はポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンである。
【0035】
本発明に用いられる正極用集電体としては、用いる正極材料の充放電電位において化学変化を起こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、材料としてステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素、導電性樹脂などの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボンあるいはチタンを処理させたものが用いられる。特に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が好ましい。これらの材料の表面を酸化して用いることもできる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付けることが望ましい。形状は、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群、不織布体の成形体などが用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜500μmのものが用いられる。
【0036】
電極合剤には、導電剤や結着剤の他、フィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤及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何でも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、炭素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、電極合剤に対して0〜30重量%が好ましい。
【0037】
本発明における負極板と正極板の構成は、少なくとも正極合剤面の対向面に負極合剤面が存在していることが好ましい。
【0038】
本発明に用いられる非水電解質は、溶媒と、その溶媒に溶解するリチウム塩とから構成されている。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、などの非プロトン性有機溶媒を挙げることができ、これらの一種または二種以上を混合して使用する。なかでも環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合系または環状カーボネートと鎖状カーボネート及び脂肪族カルボン酸エステルとの混合系が好ましい。
【0039】
これらの溶媒に溶解するリチウム塩としては、例えばLiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、イミド類等を挙げることができ、これらを使用する電解液等に単独又は二種以上を組合せて使用することができるが、特にLiPF6を含ませることがより好ましい。
【0040】
本発明における特に好ましい非水電解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを少なくとも含み、支持塩としてLiPF6を含む電解液である。これら電解質を電池内に添加する量は、特に限定されないが、正極材料や負極材料の量や電池のサイズによって必要量を用いることができる。支持電解質の非水溶媒に対する溶解量は、特に限定されないが、0.2〜2mol/lが好ましい。特に、0.5〜1.5mol/lとすることがより好ましい。
【0041】
また、電解液の他に次の様な固体電解質も用いることができる。固体電解質としては、無機固体電解質と有機固体電解質に分けられる。無機固体電解質には、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などがよく知られている。なかでも、Li4SiO4、Li4SiO4−Lil−LiOH、xLi3PO4−(1−x)Li4SiO4、Li2SiS3、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物などが有効である。有機固体電解質では、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンなどやこれらの誘導体、混合物、複合体などのポリマー材料が有効である。
【0042】
さらに、放電や充放電特性を改良する目的で、他の化合物を電解質に添加することも有効である。例えば、トリエチルフォスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n−グライム、ピリジン、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、クラウンエーテル類、第四級アンモニウム塩、エチレングリコールジアルキルエーテル等を挙げることができる。
【0043】
本発明に用いられるセパレータとしては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持ち、絶縁性の微多孔性薄膜が用いられる。また、一定温度以上で孔を閉塞し、抵抗をあげる機能を持つことが好ましい。耐有機溶剤性と疎水性からポリプロピレン、ポリエチレンなどの単独又は組合せたオレフィン系ポリマーあるいはガラス繊維などからつくられたシートや不織布または織布が用いられる。セパレータの孔径は、電極シートより脱離した正負極材料、結着剤、導電剤が透過しない範囲であることが望ましく、例えば、0.01〜1μmであるものが望ましい。セパレータの厚みは、一般的には、10〜300μmが用いられる。また、空孔率は、電子やイオンの透過性と素材や膜圧に応じて決定されるが、一般的には30〜80%であることが望ましい。
【0044】
また、ポリマー材料に、溶媒とその溶媒に溶解するリチウム塩とから構成される有機電解液を吸収保持させたものを正極合剤、負極合剤に含ませ、さらに有機電解液を吸収保持するポリマーからなる多孔性のセパレータを正極、負極と一体化した電池を構成することも可能である。このポリマー材料としては、有機電解液を吸収保持できるものであればよいが、特にフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体が好ましい。
【0045】
電池の形状はコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型、電気自動車等に用いる大型のものなどいずれにも適用できる。
また、本発明の非水電解質二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いることができるが、特にこれらに限定されるわけではない。
【0046】
【実施例】
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。
【0047】
以下の実施例では、スピネル骨格を構成する主たる元素としてリチウムを含み、遷移金属としてマンガンを含むリチウム含有遷移金属酸化物a、ならびに2族のマグネシウムと13族のアルミニウムとをモル比1:2で含むスピネル骨格の典型元素酸化物bからなる系を中心に説明する。
【0048】
《比較例1》
炭酸リチウムと二酸化マンガンとを、リチウムとマンガンのモル比が1:2になるように秤量した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物をペレット状に成形して550℃で12時間か焼し、その後、ペレットを自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。粉体を再度ペレット状に成形し、ペレットを酸素分圧1atm(0.1MPa)の雰囲気中800℃で12時間焼成し、マンガンスピネル(LiMn2O4)を得た。
【0049】
このマンガンスピネル80重量部と、導電剤であるカーボンブラック15重量部と、結着剤であるポリテトラフルオロエチレン5重量部とを混合して、正極合剤を調製した。
この正極合剤を用いて3極式セルを作製した。対極および参照極にはリチウム金属を用い、電解液には炭酸プロピレンに過塩素酸リチウム(LiClO4)を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。
【0050】
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。
充放電は電流密度0.5mA/cm2、電圧範囲4.3〜3.0V、温度20℃の条件で30サイクル行った。1サイクル目の放電容量を初期容量とした。また、1サイクル目の放電容量を100%とした場合の30サイクル目の放電容量を容量維持率として評価した。初期容量および容量維持率を表1に示す。
【0051】
【表1】
【0052】
得られた立方晶マンガンスピネル1gを10mLの電解液中にいれ、60℃で10日間保存した。保存の前後にマンガンスピネルのX線回折測定ならびにRietveld解析を行い、その格子定数の変化を測定した。そして、{(保存後の格子定数)−(保存前の格子定数)}÷(保存前の格子定数)×100(%)を格子定数変化率とした。格子定数変化率を表2に示す。また、60℃で保存前のマンガンスピネルの格子定数の測定結果を表3に示す。
【0053】
【表2】
【0054】
【表3】
【0055】
《比較例2》
800℃での焼成を酸素分圧0.9atmの雰囲気中で行ったこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。比較例1と同様の方法で格子定数変化率を測定した結果を表2に示す。
【0056】
《比較例3》
800℃での焼成を酸素分圧0.8atmの雰囲気中で行ったこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。比較例1と同様の方法で格子定数変化率を測定した結果を表2に示す。
【0057】
《比較例4》
800℃での焼成を酸素分圧0.7atmの雰囲気中で行ったこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。比較例1と同様の方法で格子定数変化率を測定した結果を表2に示す。
【0058】
《比較例5》
800℃での焼成を空気中で行ったこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0059】
《比較例6》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が90:10になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が90:10になるように混合したこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。比較例1と同様の方法で格子定数変化率を測定した結果を表2に示す。
【0060】
《比較例7》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が93:7になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が93:7になるように混合したこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0061】
《比較例8》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が95:5になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が95:5になるように混合したこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0062】
《比較例9》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が98:2になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が98:2になるように混合したこと以外は、比較例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0063】
《比較例10》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が90:10になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が90:10になるように混合したこと以外は、比較例4と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。比較例1と同様の方法で格子定数変化率を測定した結果を表2に示す。
【0064】
《比較例11》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が93:7になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が93:7になるように混合したこと以外は、比較例4と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す
【0065】
《比較例12》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が95:5になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が95:5になるように混合したこと以外は、比較例4と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0066】
《比較例13》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が98:2になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が98:2になるように混合したこと以外は、比較例4と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0067】
《比較例14》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が90:10になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が90:10になるように混合したこと以外は、比較例5と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0068】
《比較例15》
原料混合物に、塩基性炭酸マグネシウムをリチウムとマグネシウムとのモル比が95:5になるように、また、水酸化アルミニウムをマンガンとアルミニウムとのモル比が95:5になるように混合したこと以外は、比較例5と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0069】
《実施例1》
塩基性炭酸マグネシウムと水酸化アルミニウムとを、マグネシウムとアルミニウムのモル比が1:2になるように秤量し、自動乳鉢で5時間混合して、ペレット状に成形した。ペレットを空気中1400℃で5時間焼成した後、自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。粉体を再度ペレット状に成形し、そのペレットを空気中1400℃で5時間焼成してMgAl2O4を合成した。
【0070】
炭酸リチウムと二酸化マンガンとを、リチウムとマンガンのモル比が1:2になるように秤量し、自動乳鉢で5時間混合してペレット状に成形し、そのペレットを550℃で12時間か焼した。
これにリチウムとマグネシウムとのモル比が90:10になるようにMgAl2O4を添加した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物を再びペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で12時間焼成し、マンガンスピネルを得た。
得られたマンガンスピネルのX線回折測定を行ったところ、MgAl2O4に帰属されるピークは観測されなかった。
得られたマンガンスピネルを用いて比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。また、比較例1と同様の方法で格子定数変化率を測定した結果を表2に示す。また、60℃で保存前のマンガンスピネルの格子定数の測定結果を表3に示す。
【0071】
《実施例2》
リチウムとマグネシウムのモル比が95:5になるようにMgAl2O4を含む原料混合物を用いたこと以外は、実施例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0072】
《実施例3》
リチウムとマグネシウムのモル比が98:2になるようにMgAl2O4を含む原料混合物を用いたこと以外は、実施例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0073】
《実施例4》
800℃での焼成を酸素分圧0.7atmの雰囲気で行ったこと以外は、実施例1と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。また、比較例1と同様の方法で格子定数変化率を測定した結果を表2に示す。
【0074】
《実施例5》
800℃での焼成を酸素分圧0.7atmの雰囲気で行ったこと以外は、実施例2と同様の合成を行った。比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。
【0075】
《実施例6》
実施例1と同様の方法でMgAl2O4を合成した。
炭酸リチウムと二酸化マンガンとを、リチウムとマンガンのモル比が1:2になるように秤量した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物をペレット状に成形して550℃で12時間か焼し、その後、ペレットを自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。この粉体を再度ペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で11.5時間焼成した。
この焼成物に対し、リチウムとマグネシウムのモル比が90:10になるようにMgAl2O4を添加した後、自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体混合物を得た。この粉体混合物をペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で0.5時間焼成し、マンガンスピネルを得た。
得られたマンガンスピネルのX線回折測定を行ったところ、MgAl2O4に帰属されるピークが観測された。
得られたマンガンスピネルを用いて比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。また、X線回折測定ならびにRietveld解析を行い、格子定数を求めた結果を表3に示す。
【0076】
《実施例7》
実施例1と同様の方法でMgAl2O4を合成した。
炭酸リチウムと二酸化マンガンとを、リチウムとマンガンのモル比が1:2になるように秤量した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物をペレット状に成形して550℃で12時間か焼し、その後、ペレットを自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。この粉体を再度ペレット状に成形し、ペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で9時間焼成した。
この焼成物に対し、リチウムとマグネシウムのモル比が90:10になるようにMgAl2O4を添加した後、自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体混合物を得た。この粉体混合物をペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で3時間焼成し、マンガンスピネルを得た。
得られたマンガンスピネルのX線回折測定を行ったところ、MgAl2O4に帰属されるピークが観測された。
得られたマンガンスピネルを用いて比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。また、X線回折測定ならびにRietveld解析を行い、格子定数を求めた結果を表3に示す。
【0077】
《実施例8》
実施例1と同様の方法でMgAl2O4を合成した。
炭酸リチウムと二酸化マンガンとを、リチウムとマンガンのモル比が1:2になるように秤量した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物をペレット状に成形して550℃で12時間か焼し、その後、ペレットを自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。この粉体を再度ペレット状に成形し、ペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で6時間焼成した。
この焼成物に対し、リチウムとマグネシウムのモル比が90:10になるようにMgAl2O4を添加した後、自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体混合物を得た。この粉体混合物をペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で6時間焼成し、マンガンスピネルを得た。
得られたマンガンスピネルのX線回折測定を行ったところ、MgAl2O4に帰属されるピークは観測されなかった。
得られたマンガンスピネルを用いて比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。また、X線回折測定ならびにRietveld解析を行い、格子定数を求めた結果を表3に示す。
【0078】
《実施例9》
実施例1と同様の方法でMgAl2O4を合成した。
炭酸リチウムと二酸化マンガンとを、リチウムとマンガンのモル比が1:2になるように秤量した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物をペレット状に成形して550℃で12時間か焼し、その後、ペレットを自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。この粉体を再度ペレット状に成形し、ペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で3時間焼成した。
この焼成物に対し、リチウムとマグネシウムのモル比が90:10になるようにMgAl2O4を添加した後、自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体混合物を得た。この粉体混合物をペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で9時間焼成し、マンガンスピネルを得た。
得られたマンガンスピネルのX線回折測定を行ったところ、MgAl2O4に帰属されるピークは観測されなかった。
得られたマンガンスピネルを用いて比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果を表1に示す。また、X線回折測定ならびにRietveld解析を行い、格子定数を求めた結果を表3に示す。
【0079】
表1の結果より以下のことが理解できる。
実施例1〜5からは、マンガンスピネルの原料にMgAl2O4を含ませると、マンガンスピネルの原料にMgAl2O4の原料を含ませた場合よりも、さらに容量維持率が高くなることがわかる。この効果は、予め合成されたMgAl2O4をマンガンスピネルに分散させた場合には、分散したMgAl2O4が微細ながらもその結晶構造を保持していることに由来すると考えられる。すなわち、マンガンスピネルの結晶を安定化させる微細なMgAl2O4粒子が、効率よくマンガンスピネルのマトリックス中に分散していると考えられる。一方、マンガンスピネルの原料にMgAl2O4の原料を含ませた場合には、マンガンスピネルの結晶を安定化させる微細なMgAl2O4粒子の形成が効率よく行われないものと考えられる。
【0080】
実施例1および実施例6〜9を比較すると、マンガンスピネルの原料とMgAl2O4との800℃での反応時間が長いほど、初期容量が小さくなることがわかる。Liの存在量は、全ての試料について等しいにもかかわらず、反応時間が長くなるほど容量が減少するのは、Mg、AlがLiMn2O4に固溶するにつれて、利用できないLiが増加する傾向にあることを示している。
【0081】
また、実施例6〜9からは、マンガンスピネルの原料とMgAl2O4との反応時間が長いほど、初期容量は低下するものの、容量維持率が高くなることがわかる。なお、反応時間が比較的短い場合にも優れた容量維持率が得られるのは、母相であるマンガンスピネルと、そのマトリックス中に島状で分散しているMgAl2O4との間に形成される中間相の構造が、マンガンスピネルの結晶を安定化させる微細なMgAl2O4粒子と同等の作用を有するためと考えられる。このような中間相の存在は、微小部X線回折測定により確認されている。
【0082】
表2の結果より以下のことが理解できる。
容量維持率が95%以上の実施例1および4では、格子定数変化率が極めて小さいのに対し、容量維持率が92%の比較例6および90%未満の比較例1〜4および10では、格子定数変化率が大きな値を示している。このことは、比較例の電極材料は60℃での保存時に構造変化が大きいこと、ならびに実施例1および4の電極材料はほとんど構造変化していないことを示唆している。MgAl2O4粒子がマトリックス中に均一に分散し、共通の酸素骨格を介して電極材料の結晶構造を安定化することにより、サイクル特性および高温保存特性が向上したものと考えられる。
【0083】
表3の結果をプロットした結果を図1に示す。横軸には、LiおよびMnの原料と、MgAl2O4との800℃での反応時間を示す。縦軸には、マンガンスピネルの格子定数を示す。LiおよびMnの原料とMgAl2O4とを800℃で9時間以上反応させた試料においては、格子定数が一定になったことから、MgAl2O4が完全に反応してマンガンスピネル中に固溶したものと考えられる。
すなわち、本発明によれば、別のスピネル成分であるMgAl2O4の出発原料としてMgAl2O4そのものを用いているため、MgAl2O4を原子レベルの高分散状態でマンガンスピネルに包含させることができる。そのため、マンガンスピネル中に別のスピネル成分由来のMg−O−Al結合が多数存在し、電極材料の結晶構造が大きく安定化されたものと考えられる。
一方、従来の技術では、アルミニウムとマグネシウムが原子レベルで均一に存在するマンガンスピネルを得ることはできない。すなわち、アルミニウムによるマンガンの置換に偏った領域と、マグネシウムによるリチウムの置換に偏った領域とが存在するため、別のスピネル成分であるMgAl2O4が原子レベルの高分散状態でマンガンスピネルに包含されているとは言い難い。従って、マンガンスピネル中の別のスピネル成分由来のMg−O−Al結合が少なく、電極材料の結晶構造の安定化が不充分になるものと考えられる。
【0084】
《実施例10》
塩基性炭酸マグネシウムと酸化ガリウムとを、マグネシウムとガリウムとのモル比が1:2になるように秤量し、これらを自動乳鉢で5時間混合し、ペレット状に成形した。このペレットを空気中で1400℃で5時間焼成した後、自動乳鉢で5時間粉砕し、再度ペレット状に成形した。このペレットを空気中で1400℃で5時間焼成して、MgGa2O4を合成した。こうして得られたMgGa2O4をMgAl2O4の代わりに用いたこと以外、実施例1と同様にしてマンガンスピネルを得た。
得られたマンガンスピネルを用いて比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果、初期容量は93mAh/g、容量維持率は97%であった。
この結果から、MgAl2O4以外の別のスピネル成分をマンガンスピネルに分散させた場合にも、別のスピネル成分を分散させることなく合成した比較例1のマンガンスピネルの場合に比べて、容量維持率が高くなることがわかる。
【0085】
《実施例11》
実施例1と同様の方法でMgAl2O4を合成した。
炭酸リチウムと、酸化クロムと、二酸化マンガンとを、リチウムとクロムとマンガンとのモル比が1:0.4:1.6になるように秤量した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物をペレット状に成形して550℃で12時間か焼した。
これにリチウムとマグネシウムとのモル比が95:5になるようにMgAl2O4を添加した後、自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。この粉体を再度ペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で12時間焼成し、マンガンスピネルを得た。
電圧範囲を4.2〜3.5Vとしたこと以外、比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果、初期容量は63mAh/g、容量維持率は98%であった。
【0086】
《比較例16》
炭酸リチウムと、酸化クロムと、二酸化マンガンとを、リチウムとクロムとマンガンとのモル比が1:0.4:1.6になるように秤量した後、自動乳鉢で5時間混合して原料混合物を得た。次いで、原料混合物をペレット状に成形して550℃で12時間か焼した後、自動乳鉢で5時間粉砕・混合し、粉体を得た。この粉体を再度ペレット状に成形し、そのペレットを酸素分圧1.0atmの雰囲気中800℃で12時間焼成し、マンガンスピネルを得た。
電圧範囲を4.2〜3.5Vとしたこと以外、比較例1と同様の方法で充放電試験を行った結果、初期容量は70mAh/g、容量維持率は83%であった。実施例11と比較例16との比較から、MgAl2O4を分散させることなく合成した比較例16のマンガンスピネルの場合に比べて、MgAl2O4を分散させて合成した実施例11のマンガンスピネルを用いた場合の方が、容量維持率が高くなることがわかる。このことは、種々の組成のマンガンスピネルに別のスピネル成分を分散させた場合、いずれの組成のマンガンスピネルにおいても同様の容量維持率の向上効果が得られることを示唆している。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高温保存性、サイクル特性等に優れた電極材料を得ることができる。この電極材料を用いた非水電解質二次電池は、特に高温での特性が従来に比べて向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】LiおよびMnの原料とMgAl2O4との800℃での反応時間と、マンガンスピネルの格子定数との関係を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of an electrode material used for a nonaqueous electrolyte battery. The present invention particularly relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery with improved storage properties and charge / discharge cycle life. The present invention can be applied to a non-aqueous electrolyte secondary battery used in a portable information terminal, a portable electronic device, a small household electric power storage device, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lithium secondary batteries used as a main power source for mobile communication devices, portable electronic devices, and the like are characterized by high electromotive force and high energy density. A lithium secondary battery using lithium metal as a negative electrode material has a high energy density, but dendrites are deposited on the negative electrode during charging, and the battery may break through the separator and repeatedly reach the positive electrode side by repeated charge and discharge, causing an internal short circuit. is there. Further, the deposited dendrite has a high specific surface area and thus has a high reaction activity, and reacts with the solvent in the electrolytic solution on the surface to form an interface film lacking electronic conductivity, so that the internal resistance of the battery tends to be high. In addition, isolated particles may be generated from the electron conduction network, and these are factors that reduce charge and discharge efficiency. For these reasons, a lithium secondary battery using lithium metal as a negative electrode material has low reliability and a short cycle life.
[0003]
Currently, as a negative electrode material replacing lithium metal, a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions or a spinel oxide containing a transition metal is used and has been put into practical use. Usually, since these materials do not deposit metallic lithium, the problem of internal short circuit due to dendrite does not occur.
[0004]
On the other hand, the positive electrode material includes lithium cobalt oxide (LiCoO2), Lithium nickelate (LiNiO)2), Spinel type lithium manganate (LiMn)2OFour(Hereinafter referred to as manganese spinel), etc., and some of them have been put into practical use. Since these active materials have a potential of about 4 V with respect to lithium, a battery having a high energy density can be provided. The theoretical capacity is about 280 mAh / g for lithium cobaltate and lithium nickelate, whereas it is as small as 148 mAh / g for manganese spinel. However, manganese spinel is rich in manganese oxide as a raw material, is inexpensive, and has a relatively good thermal stability during charging, so it can be used in various applications such as small consumer appliances or EVs (electric vehicles). Is expected.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a battery containing manganese spinel is stored particularly in a high temperature environment, manganese is eluted into the electrolyte solution, so that there is a problem that storage characteristics and cycle characteristics are impaired.
In order to improve this problem, a method has been attempted in which a part of octahedral sites mainly occupied by manganese is substituted with other elements. For example, substitution with transition metal elements such as cobalt and chromium, partial substitution of manganese sites with lithium by adding lithium in excess of the stoichiometric amount when charging raw materials, substitution with typical elements such as aluminum and magnesium have been attempted. . Certainly, these material modifications have improved storage characteristics and cycle characteristics at high temperatures, but have not reached a practically sufficient level.
[0006]
The reason why the high-temperature storage characteristics and the like are improved is that a part of manganese occupying the octahedral site is replaced with a solid solution element, so that the crystal phase constituted through the common oxygen arrangement is stabilized, and the manganese This is considered to be because elution is suppressed. However, practically sufficient characteristics cannot be obtained in a state where these substitution elements occupy the octahedral sites of the spinel skeleton on average and each adjacent tetrahedral site is mainly occupied by lithium. This is probably because of this. That is, it is considered that the substitution element contributing to the stabilization of the crystal structure does not exist simultaneously at the octahedral site and the tetrahedral site of the constituent unit of the spinel skeleton.
[0007]
The main object of the present invention is to suppress elution of manganese into an electrolytic solution in an electrode material for a nonaqueous electrolyte battery, particularly when manganese spinel is used as a positive electrode active material. That is, an object of the present invention is to provide a manganese spinel material having excellent storage characteristics and cycle characteristics, particularly high temperature storage characteristics and cycle characteristics, and at the same time providing a nonaqueous electrolyte battery using the same.
However, the technical idea of the present invention is not limited to the manganese spinel material, and is composed of an electrochemically highly active phase and an electrochemically low active phase, and is commonly used for electrode materials that stabilize the highly active phase by the low active phase. To do.
Therefore, the present invention provides not only a manganese spinel material, but also a wide range of electrode materials that are composed of an electrochemically high active phase and an electrochemically low active phase, and that are excellent in high temperature storage characteristics, cycle characteristics, and the like. For the purpose.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
JP-A-2000-176513 discloses that, for the above-described purpose, another spinel component composed of a combination of different elements is included in the crystal phase of the spinel-type lithium-containing transition metal oxide via a common oxygen arrangement. Has proposed. Here, another spinel component has the effect | action which stabilizes the crystal structure of a spinel type lithium containing transition metal oxide.
In this publication, a mixture of lithium carbonate, electrolytic manganese dioxide, basic magnesium carbonate, and aluminum hydroxide is formed into a pellet and then fired at a high temperature to produce an electrode material.
However, in the electrode material manufactured by such a method, aluminum and magnesium are not uniformly present at the atomic level in the manganese spinel crystal. In this case, there are a region biased toward the replacement of manganese with aluminum and a region biased toward the replacement of lithium with magnesium. Therefore, MgAl, another spinel component that contributes to the stabilization of the structure of the electrode material2OFourIs not included in the manganese spinel matrix in a highly dispersed state at the atomic level. That is, another spinel component is not sufficiently formed, and the influence of another spinel component on the manganese spinel is small, so that the crystal structure of the electrode material is not sufficiently stabilized.
[0009]
In view of this point, the present invention is a further improvement of the electrode material proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-176513.
That is, the present invention includes (1) a step of preparing a lithium-containing transition metal oxide a having a spinel crystal structure or a raw material thereof, and (2) a lithium-containing transition metal oxide a or a raw material thereof, and a lithium-containing transition metal. A step of mixing a typical element oxide b that is electrochemically less active than the oxide a, and (3) a step of firing the mixture obtained in the step (2).The typical element oxide b has a spinel crystal structure.The present invention relates to a method for manufacturing an electrode material.
[0010]
The typical element oxide b is preferably an oxide containing at least one element selected from the group consisting of
ClassicType element oxide b includes MgAl2OFourIs preferably used.
In the step (3), the mixture is preferably fired at 600 to 1000 ° C. The firing time is preferably 24 hours or less.
[0011]
The present invention also relates to an electrode material produced by the above method.
The present invention includes, for example, a phase A composed of a lithium-containing transition metal oxide a having a spinel crystal structure and a phase B composed of a typical element oxide b that is electrochemically less active than the lithium-containing transition metal oxide a. Phase B is dispersed in phase A, and an interface between phase A and phase B has an intermediate phase C composed of at least one of the constituent elements of phase A or phase B.The typical element oxide b has a spinel crystal structure, and the intermediate layer C is formed by mutual diffusion of the constituent element of the phase A and the constituent element of the phase B at the interface between the phase A and the phase B. IsThe present invention relates to an electrode material.
Here, it is preferable that the phase B and the intermediate phase C have an atomic arrangement common to at least one atomic arrangement of the constituent elements of the phase A.Yes.
During ~At least one of the constituent elements of the interphase C preferably has a concentration gradient from the phase A to the phase B in the intermediate phase C.
The present invention further relates to a non-aqueous electrolyte battery having a non-aqueous electrolyte and the above electrode material.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The idea of the present invention is that an electrochemically stable and different chemical composition is added to phase A (highly active phase A) comprising a spinel-type lithium-containing transition metal oxide a which is electrochemically highly active and unstable in structure. Including the phase B (low active phase B) composed of the typical element oxide b is to stabilize the unstable transition metal oxide a.
[0013]
In other words, the conventional technique attempted to stabilize the spinel crystal phase through the common oxygen arrangement by partially replacing a part of manganese in the octahedral site of the transition metal oxide a with a solid solution element. On the other hand, the present invention is characterized in that the fine particles of the typical element oxide b are dispersed in the transition metal oxide a. According to such a structure, the spinel skeleton of the transition metal oxide a surrounding it can be stabilized by the stability of the skeleton of the typical element oxide b.
[0014]
The composition of the transition metal oxide a is not limited as long as it has a spinel crystal structure. For example, in the case of lithium manganese oxide, LiMn having a molar ratio of lithium to manganese of 1: 2.2OFourLi with a molar ratio of lithium to manganese of 1.2: 1.81.2Mn1.8OFourAnd LiMn having a molar ratio of lithium, manganese and nickel of 1: 1.6: 0.41.6Ni0.4OFourIn any of these cases, the stabilization effect can be expected.
[0015]
In general, an oxide having a spinel crystal structure is AB.2OFourIn some cases, A is a divalent cation and B is a trivalent cation, or A is a tetravalent cation and B is a divalent cation. At this time, the distribution of cations includes (1) a positive spinel structure in which A ions are arranged at tetrahedral sites and B ions are arranged at octahedral sites: (A) [B2] OFour(2) Reverse spinel structure in which half of B ions are arranged at tetrahedral sites and the other half of B ions and A ions are arranged randomly at octahedral sites: (B) [AB] OFour(3) An intermediate spinel structure taking an intermediate arrangement between a normal spinel and a reverse spinel: (Ax・ B1-x) [A1-x・ B1 + x] OFour(0 <x <1). Here, the small parenthesis represents a tetrahedral site, and the large bracket represents an octahedral site.
[0016]
The spinel crystal structure referred to in the present invention includes all of a normal spinel structure, a reverse spinel structure, and an intermediate spinel structure. Further, the spinel structure may belong to any of cubic, tetragonal, hexagonal, trigonal, orthorhombic, monoclinic and triclinic, but particularly cubic and Those belonging to the tetragonal system are preferred.
[0017]
The method for producing an electrode material of the present invention includes a step (1) of preparing a lithium-containing transition metal oxide a having a spinel crystal structure or a raw material thereof, a lithium-containing transition metal oxide a or a raw material thereof, and a lithium-containing transition. A step (2) of mixing a typical element oxide b that is electrochemically less active than the metal oxide a, and a step (3) of firing the mixture obtained in the step (2).The typical element oxide b has a spinel crystal structure.To do.
[0018]
In the step (1), a lithium salt and a transition metal salt are usually used as a raw material for the lithium-containing transition metal oxide a, but the process from the lithium salt and the transition metal salt to the lithium-containing transition metal oxide a is performed. The intermediate obtained in (1) is also included in the raw material. Specifically, only the raw material of the transition metal oxide a may be fired and reacted to some extent to prepare an intermediate, and then the intermediate and the typical element oxide b may be mixed and further fired. .
[0019]
As the lithium salt, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium hydroxide, lithium oxide, or the like can be used.
[0020]
The transition metal salt varies depending on the type of the desired transition metal oxide a. LiMn as transition metal oxide a2OFourFor example, manganese dioxide can be used as the transition metal salt.
[0021]
The electrode material of the present invention comprises a transition metal oxide a and a typical element oxide b in a molar ratio of 99.9: 0.1 to 50:50, and further 98: 2 to 90:10. It is preferable to include. What is necessary is just to select the preparation composition of a raw material according to a desired electrode material.
[0022]
The typical element oxide b used in the step (2) includes at least one selected from the group consisting of typical elements of
[0023]
Typical element oxide b is, SuHas pinel structureAndFor example, an oxide containing magnesium and aluminum in a molar ratio of 1: 2, an oxide containing magnesium and gallium in a molar ratio of 1: 2, an oxide containing magnesium and indium in a molar ratio of 1: 2, and a molar ratio of calcium and indium. An oxide comprising 1: 2; an oxide comprising barium and indium in a molar ratio 1: 2; an oxide comprising strontium and indium in a molar ratio 1: 2; an oxide comprising magnesium and tin in a molar ratio 2: 1; Examples thereof include an oxide containing magnesium, aluminum and gallium in a molar ratio of 1: 1: 1, and an oxide containing magnesium, aluminum and gallium in a molar ratio of 1: 1.2: 0.8. These typical element oxides may be used alone or in combination of two or more. MgAl, the origin of the name of the spinel compound2OFourIs widely known as a chemically very stable material and is particularly suitable.The
[0024]
In step (3), the mixture obtained in step (2) is baked. The firing temperature is preferably in the range of 600 to 1000 ° C, particularly 700 to 900 ° C. The firing time is preferably 24 hours or less, particularly preferably in the range of 0.5 to 12 hours. From the viewpoint of obtaining an electrode material having excellent storage characteristics and cycle characteristics at high temperatures, it is preferable to sufficiently react the mixture in step (3). Although the particle size of the low active phase B dispersed in the high active phase A of the electrode material to be produced varies depending on the reaction conditions in the step (3), the particle size of the low active phase B is preferably as small as possible. Specifically, it is preferable that fine particles of typical element oxide b of 0.1 μm or less, further 0.001 μm or less, are island-shaped and dispersed in the matrix of transition metal oxide a. Even if the reaction is sufficiently performed, the crystals of the typical element oxide b once formed do not disappear completely, so that the fine particles or the skeleton of the typical element oxide b are in the matrix of the transition metal oxide a. Maintained.
[0025]
In the case of the production method of the present invention, since the crystal of the typical element oxide b is used as a raw material, in the vicinity of the interface between the high active phase A and the low active phase B, the constituent elements of the high active phase A and the low active phase B The intermediate phase C is formed by mutual diffusion of the constituent elements. Since the intermediate phase C is formed by mutual diffusion of constituent elements of each phase, the constituent elements of the intermediate phase C often have a concentration gradient from the high active phase A to the low active phase B. It is considered that the intermediate phase C adjacent to both the high active phase A and the low active phase B contributes to the stabilization of the high active phase A. In addition, it is considered that the structure of the intermediate phase C is an inclined structure in which the composition and structure continuously change from the typical element oxide b to the transition metal oxide a.
[0026]
The firing atmosphere is not particularly limited. For example, firing can be performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.01 to 0.2 MPa (0.1 to 2 atm).
[0027]
Here, an example of modification of manganese spinel, which is a positive electrode material, has been described. Even in the case of a titanium-based spinel material that is capable of occluding and releasing lithium, there is no problem of elution of titanium. From the viewpoint of reversibility, the same concept holds for improving cycle characteristics.
[0028]
The negative electrode conductive agent used in the present invention may be anything as long as it is an electron conductive material. For example, natural graphite (such as flake graphite), artificial graphite, graphite such as expanded graphite, carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fiber, metal fiber Conductive fibers such as copper, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be contained alone or as a mixture thereof.
[0029]
Among these conductive agents, artificial graphite, acetylene black, and carbon fiber are particularly preferable. Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-50 weight% is preferable with respect to negative electrode material, and 1-30 weight% is especially preferable. Further, when the negative electrode material itself has electronic conductivity, it can function as a battery without adding a conductive agent.
[0030]
The negative electrode binder used in the present invention may be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Preferred binders in the present invention include, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, Vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene - tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride - perfluoromethyl vinyl ether - tetrafluoroethylene copolymer, ethylene - acrylic acid copolymer or (Na+) Ion-crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na+) Ionic cross-linked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na+) Ionic cross-linked product, ethylene-methyl methacrylate copolymer or (Na+) An ionic crosslinked body can be mentioned, and these materials can be used alone or as a mixture.
[0031]
Among these materials, more preferable materials are styrene butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, ethylene-acrylic acid copolymer, or (Na+) Ion-crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na+) Ionic cross-linked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na+) Ionic cross-linked product, ethylene-methyl methacrylate copolymer or (Na+) An ionic cross-linked product.
[0032]
The negative electrode current collector used in the present invention may be anything as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, in addition to stainless steel, nickel, copper, titanium, carbon, conductive resin, etc., materials obtained by treating the surface of copper or stainless steel with carbon, nickel, or titanium are used. In particular, copper or a copper alloy is preferable. The surface of these materials can be oxidized and used. Further, it is desirable to make the current collector surface uneven by surface treatment. As the shape, a film, a sheet, a net, a punched product, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like are used in addition to the foil. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 1 to 500 μm is used.
[0033]
The conductive agent for positive electrode used in the present invention may be anything as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode material used. For example, graphite such as natural graphite (such as flake graphite), artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and conductive such as carbon fiber and metal fiber Conductive fibers, metal powders such as carbon fluoride and aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, or organic conductive materials such as polyphenylene derivatives, etc. It can be included as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferable. Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-50 weight% is preferable with respect to positive electrode material, and 1-30 weight% is especially preferable. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable.
[0034]
The positive electrode binder used in the present invention may be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Preferred binders in the present invention include, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer. Polymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoro Ethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene - tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride - perfluoromethyl vinyl ether - tetrafluoroethylene copolymer, ethylene - acrylic acid copolymer or (Na+) Ion-crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na+) Ionic cross-linked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na+) Ionic cross-linked product, ethylene-methyl methacrylate copolymer or (Na+) An ionic crosslinked body can be mentioned, and these materials can be used alone or as a mixture. Of these materials, more preferred are polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene.
[0035]
The positive electrode current collector used in the present invention may be any electronic conductor that does not cause a chemical change in the charge / discharge potential of the positive electrode material used. For example, in addition to stainless steel, aluminum, titanium, carbon, conductive resin, etc., materials obtained by treating carbon or titanium on the surface of aluminum or stainless steel are used. In particular, aluminum or an aluminum alloy is preferable. The surface of these materials can be oxidized and used. Further, it is desirable to make the current collector surface uneven by surface treatment. As the shape, a film, a sheet, a net, a punched product, a lath body, a porous body, a foamed body, a fiber group, a non-woven body shaped body, and the like are used in addition to the foil. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 1 to 500 μm is used.
[0036]
In addition to a conductive agent and a binder, a filler, a dispersant, an ionic conductor, a pressure enhancer, and other various additives can be used for the electrode mixture. Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0 to 30 weight% is preferable with respect to an electrode mixture.
[0037]
In the configuration of the negative electrode plate and the positive electrode plate in the present invention, it is preferable that the negative electrode mixture surface is present at least on the opposite surface of the positive electrode mixture surface.
[0038]
The nonaqueous electrolyte used in the present invention is composed of a solvent and a lithium salt dissolved in the solvent. Non-aqueous solvents include, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate, methyl formate, and methyl acetate. Aliphatic carboxylic acid esters such as methyl propionate and ethyl propionate, γ-lactones such as γ-butyrolactone, chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane, etc. , Cyclic ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylformamide, dioxolane, aceto Nitrile, propyl nitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate And aprotic organic solvents such as derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, and the like. use. Among these, a mixed system of a cyclic carbonate and a chain carbonate or a mixed system of a cyclic carbonate, a chain carbonate, and an aliphatic carboxylic acid ester is preferable.
[0039]
Examples of lithium salts that can be dissolved in these solvents include LiClO.Four, LiBFFour, LiPF6LiAlClFour, LiSbF6, LiSCN, LiCl, LiCFThreeSOThree, LiCFThreeCO2, Li (CFThreeSO2)2, LiAsF6, LiN (CFThreeSO2)2, LiBTenClTen, Lower aliphatic lithium carboxylate, LiCl, LiBr, LiI, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, imides, etc., and these can be used singly or in combination of two or more. In particular, LiPF6It is more preferable to include.
[0040]
A particularly preferred non-aqueous electrolyte in the present invention contains at least ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate, and LiPF as a supporting salt.6It is the electrolyte solution containing. The amount of the electrolyte added to the battery is not particularly limited, but a necessary amount can be used depending on the amount of the positive electrode material and the negative electrode material and the size of the battery. The amount of dissolution of the supporting electrolyte in the nonaqueous solvent is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 2 mol / l. In particular, 0.5 to 1.5 mol / l is more preferable.
[0041]
In addition to the electrolytic solution, the following solid electrolyte can also be used. The solid electrolyte is classified into an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte. Well-known inorganic solid electrolytes include Li nitrides, halides, oxyacid salts, and the like. Among them, LiFourSiOFour, LiFourSiOFour-Lil-LiOH, xLiThreePOFour-(1-x) LiFourSiOFour, Li2SiSThree, LiThreePOFour-Li2S-SiS2In addition, phosphorus sulfide compounds are effective. For organic solid electrolytes, for example, polymer materials such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and derivatives, mixtures, and composites thereof are effective. is there.
[0042]
Furthermore, it is also effective to add other compounds to the electrolyte for the purpose of improving discharge and charge / discharge characteristics. For example, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, pyridine, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivatives, crown ethers, quaternary ammonium salts, ethylene glycol dialkyl ether and the like can be mentioned.
[0043]
As the separator used in the present invention, an insulating microporous thin film having a large ion permeability and a predetermined mechanical strength is used. Moreover, it is preferable to have a function of closing the hole at a certain temperature or higher and increasing the resistance. Sheets, nonwoven fabrics or woven fabrics made from olefinic polymers such as polypropylene and polyethylene, glass fibers, or the like, which are resistant to organic solvents and hydrophobic, are used. The pore diameter of the separator is desirably in a range in which the positive and negative electrode materials, the binder, and the conductive agent detached from the electrode sheet do not permeate, for example, 0.01 to 1 μm is desirable. The thickness of the separator is generally 10 to 300 μm. The porosity is determined according to the permeability of the electrons and ions, the material, and the film pressure, but is generally preferably 30 to 80%.
[0044]
A polymer in which an organic electrolytic solution composed of a solvent and a lithium salt dissolved in the solvent is absorbed and held in a polymer material is included in the positive electrode mixture and the negative electrode mixture, and the organic electrolytic solution is absorbed and held. It is also possible to constitute a battery in which a porous separator made of is integrated with a positive electrode and a negative electrode. The polymer material is not particularly limited as long as it can absorb and retain the organic electrolyte solution, but a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene is particularly preferable.
[0045]
The shape of the battery can be applied to any of a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, a square type, a large type used for an electric vehicle, and the like.
Further, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be used for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, etc., but is not particularly limited thereto. I don't mean.
[0046]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0047]
In the following examples, a lithium-containing transition metal oxide a containing lithium as a main element constituting the spinel skeleton and manganese as a transition metal, and a group 2 magnesium and a group 13 aluminum at a molar ratio of 1: 2. Description will be made mainly on the system composed of the typical element oxide b having a spinel skeleton.
[0048]
<< Comparative Example 1 >>
Lithium carbonate and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium to manganese was 1: 2, and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture. Next, the raw material mixture was formed into a pellet and calcined at 550 ° C. for 12 hours, and then the pellet was pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. The powder is again formed into pellets, and the pellets are fired at 800 ° C. for 12 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 atm (0.1 MPa) to produce manganese spinel (LiMn2OFour)
[0049]
A positive electrode mixture was prepared by mixing 80 parts by weight of this manganese spinel, 15 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene as a binder.
A tripolar cell was produced using this positive electrode mixture. Lithium metal is used for the counter electrode and the reference electrode, and the electrolyte is propylene carbonate and lithium perchlorate (LiClO).Four) Was dissolved at a concentration of 1 mol / L.
[0050]
The battery thus obtained was subjected to a charge / discharge test.
Charging / discharging is performed at a current density of 0.5 mA / cm.2And 30 cycles under conditions of a voltage range of 4.3 to 3.0 V and a temperature of 20 ° C. The discharge capacity at the first cycle was set as the initial capacity. Further, the discharge capacity at the 30th cycle when the discharge capacity at the 1st cycle was 100% was evaluated as the capacity retention rate. Table 1 shows the initial capacity and capacity retention rate.
[0051]
[Table 1]
[0052]
1 g of the obtained cubic manganese spinel was placed in 10 mL of electrolyte and stored at 60 ° C. for 10 days. Before and after storage, X-ray diffraction measurement and Rietveld analysis of manganese spinel were performed, and the change in the lattice constant was measured. Then, {(lattice constant after storage) − (lattice constant before storage)} ÷ (lattice constant before storage) × 100 (%) was defined as a lattice constant change rate. Table 2 shows the lattice constant change rate. Table 3 shows the measurement results of the lattice constant of manganese spinel before storage at 60 ° C.
[0053]
[Table 2]
[0054]
[Table 3]
[0055]
<< Comparative Example 2 >>
Synthesis was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that firing at 800 ° C. was performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.9 atm. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1. Table 2 shows the results of measuring the rate of change of the lattice constant by the same method as in Comparative Example 1.
[0056]
<< Comparative Example 3 >>
Synthesis was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that firing at 800 ° C. was performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.8 atm. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1. Table 2 shows the results of measuring the rate of change of the lattice constant by the same method as in Comparative Example 1.
[0057]
<< Comparative Example 4 >>
Synthesis was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that firing at 800 ° C. was performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.7 atm. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1. Table 2 shows the results of measuring the rate of change of the lattice constant by the same method as in Comparative Example 1.
[0058]
<< Comparative Example 5 >>
The same synthesis as in Comparative Example 1 was performed except that the baking at 800 ° C. was performed in the air. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0059]
<< Comparative Example 6 >>
Other than mixing basic magnesium carbonate so that the molar ratio of lithium and magnesium is 90:10, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 90:10. Were synthesized in the same manner as in Comparative Example 1. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1. Table 2 shows the results of measuring the rate of change of the lattice constant by the same method as in Comparative Example 1.
[0060]
<< Comparative Example 7 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate in the raw material mixture so that the molar ratio of lithium and magnesium is 93: 7, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 93: 7 Were synthesized in the same manner as in Comparative Example 1. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0061]
<< Comparative Example 8 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate in the raw material mixture so that the molar ratio of lithium and magnesium is 95: 5, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 95: 5 Were synthesized in the same manner as in Comparative Example 1. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0062]
<< Comparative Example 9 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate in the raw material mixture so that the molar ratio of lithium and magnesium is 98: 2, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 98: 2. Were synthesized in the same manner as in Comparative Example 1. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0063]
<< Comparative Example 10 >>
Other than mixing basic magnesium carbonate so that the molar ratio of lithium and magnesium is 90:10, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 90:10. Was synthesized in the same manner as in Comparative Example 4. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1. Table 2 shows the results of measuring the rate of change of the lattice constant by the same method as in Comparative Example 1.
[0064]
<< Comparative Example 11 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate in the raw material mixture so that the molar ratio of lithium and magnesium is 93: 7, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 93: 7 Was synthesized in the same manner as in Comparative Example 4. Table 1 shows the results of the charge / discharge test conducted in the same manner as in Comparative Example 1.
[0065]
<< Comparative Example 12 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate in the raw material mixture so that the molar ratio of lithium and magnesium is 95: 5, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 95: 5 Was synthesized in the same manner as in Comparative Example 4. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0066]
<< Comparative Example 13 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate in the raw material mixture so that the molar ratio of lithium and magnesium is 98: 2, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 98: 2. Was synthesized in the same manner as in Comparative Example 4. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0067]
<< Comparative Example 14 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate in the raw material mixture so that the molar ratio of lithium and magnesium is 90:10, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 90:10 Were synthesized in the same manner as in Comparative Example 5. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0068]
<< Comparative Example 15 >>
Other than mixing the basic magnesium carbonate so that the molar ratio of lithium and magnesium is 95: 5, and aluminum hydroxide so that the molar ratio of manganese and aluminum is 95: 5. Were synthesized in the same manner as in Comparative Example 5. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0069]
Example 1
Basic magnesium carbonate and aluminum hydroxide were weighed so that the molar ratio of magnesium to aluminum was 1: 2, mixed in an automatic mortar for 5 hours, and formed into pellets. The pellets were fired in air at 1400 ° C. for 5 hours, and then pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. The powder is again formed into pellets, and the pellets are fired in air at 1400 ° C. for 5 hours to form MgAl2OFourWas synthesized.
[0070]
Lithium carbonate and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium to manganese was 1: 2, mixed in an automatic mortar for 5 hours to form a pellet, and the pellet was calcined at 550 ° C. for 12 hours. .
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 90:10.2OFourWas added and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture. Next, the raw material mixture was formed again into pellets, and the pellets were fired at 800 ° C. for 12 hours in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 atm to obtain manganese spinel.
When the X-ray diffraction measurement of the obtained manganese spinel was performed, MgAl2OFourThe peak attributed to was not observed.
Table 1 shows the result of a charge / discharge test conducted in the same manner as in Comparative Example 1 using the obtained manganese spinel. Table 2 shows the results of measuring the lattice constant change rate by the same method as in Comparative Example 1. Table 3 shows the measurement results of the lattice constant of manganese spinel before storage at 60 ° C.
[0071]
Example 2
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 95: 52OFourThe same synthesis as in Example 1 was performed except that a raw material mixture containing was used. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0072]
Example 3
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 98: 2.2OFourThe same synthesis as in Example 1 was performed except that a raw material mixture containing was used. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0073]
Example 4
Synthesis was performed in the same manner as in Example 1 except that baking at 800 ° C. was performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.7 atm. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1. Table 2 shows the results of measuring the lattice constant change rate by the same method as in Comparative Example 1.
[0074]
Example 5
Synthesis was performed in the same manner as in Example 2 except that baking at 800 ° C. was performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.7 atm. Table 1 shows the results of a charge / discharge test performed in the same manner as in Comparative Example 1.
[0075]
Example 6
In the same manner as in Example 1, MgAl2OFourWas synthesized.
Lithium carbonate and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium to manganese was 1: 2, and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture. Next, the raw material mixture was formed into a pellet and calcined at 550 ° C. for 12 hours, and then the pellet was pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. This powder was again formed into a pellet, and the pellet was fired at 800 ° C. for 11.5 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm.
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 90:10 with respect to the fired product.2OFourWas added and then pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder mixture. This powder mixture was formed into pellets, and the pellets were fired at 800 ° C. for 0.5 hours in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 atm to obtain manganese spinel.
When the X-ray diffraction measurement of the obtained manganese spinel was performed, MgAl2OFourA peak attributed to was observed.
Table 1 shows the result of a charge / discharge test conducted in the same manner as in Comparative Example 1 using the obtained manganese spinel. Table 3 shows the results obtained by performing X-ray diffraction measurement and Rietveld analysis and obtaining lattice constants.
[0076]
Example 7
In the same manner as in Example 1, MgAl2OFourWas synthesized.
Lithium carbonate and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium to manganese was 1: 2, and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture. Next, the raw material mixture was formed into a pellet and calcined at 550 ° C. for 12 hours, and then the pellet was pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. This powder was again formed into a pellet, and the pellet was fired at 800 ° C. for 9 hours in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 atm.
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 90:10 with respect to the fired product.2OFourWas added and then pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder mixture. This powder mixture was formed into pellets, and the pellets were fired at 800 ° C. for 3 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm to obtain manganese spinel.
When the X-ray diffraction measurement of the obtained manganese spinel was performed, MgAl2OFourA peak attributed to was observed.
Table 1 shows the result of a charge / discharge test conducted in the same manner as in Comparative Example 1 using the obtained manganese spinel. Table 3 shows the results obtained by performing X-ray diffraction measurement and Rietveld analysis and obtaining lattice constants.
[0077]
Example 8
In the same manner as in Example 1, MgAl2OFourWas synthesized.
Lithium carbonate and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium to manganese was 1: 2, and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture. Next, the raw material mixture was formed into a pellet and calcined at 550 ° C. for 12 hours, and then the pellet was pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. This powder was again formed into a pellet, and the pellet was fired at 800 ° C. for 6 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm.
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 90:10 with respect to the fired product.2OFourWas added and then pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder mixture. This powder mixture was formed into pellets, and the pellets were fired at 800 ° C. for 6 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm to obtain manganese spinel.
When the X-ray diffraction measurement of the obtained manganese spinel was performed, MgAl2OFourThe peak attributed to was not observed.
Table 1 shows the result of a charge / discharge test conducted in the same manner as in Comparative Example 1 using the obtained manganese spinel. Table 3 shows the results obtained by performing X-ray diffraction measurement and Rietveld analysis and obtaining lattice constants.
[0078]
Example 9
In the same manner as in Example 1, MgAl2OFourWas synthesized.
Lithium carbonate and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium to manganese was 1: 2, and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture. Next, the raw material mixture was formed into a pellet and calcined at 550 ° C. for 12 hours, and then the pellet was pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. This powder was again formed into a pellet, and the pellet was fired at 800 ° C. for 3 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm.
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 90:10 with respect to the fired product.2OFourWas added and then pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder mixture. This powder mixture was formed into pellets, and the pellets were fired at 800 ° C. for 9 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm to obtain manganese spinel.
When the X-ray diffraction measurement of the obtained manganese spinel was performed, MgAl2OFourThe peak attributed to was not observed.
Table 1 shows the result of a charge / discharge test conducted in the same manner as in Comparative Example 1 using the obtained manganese spinel. Table 3 shows the results obtained by performing X-ray diffraction measurement and Rietveld analysis and obtaining lattice constants.
[0079]
From the results in Table 1, the following can be understood.
From Examples 1 to 5, MgAl was used as a raw material for manganese spinel.2OFourIncluding MgAl as a raw material for manganese spinel2OFourIt can be seen that the capacity retention rate is higher than when the raw material is included. This effect is due to the pre-synthesized MgAl2OFourIs dispersed in manganese spinel, the dispersed MgAl2OFourIs considered to be derived from the fact that it retains its crystal structure even though it is fine. That is, fine MgAl that stabilizes manganese spinel crystals2OFourIt is believed that the particles are efficiently dispersed in a manganese spinel matrix. On the other hand, MgAl is used as a raw material for manganese spinel.2OFourIf the raw material is included, the fine MgAl that stabilizes the manganese spinel crystals2OFourIt is considered that the formation of particles is not performed efficiently.
[0080]
Comparing Example 1 and Examples 6-9, the raw material of manganese spinel and MgAl2OFourIt can be seen that the longer the reaction time at 800 ° C., the smaller the initial capacity. Although the abundance of Li is the same for all samples, the capacity decreases with increasing reaction time because Mg and Al are LiMn.2OFourIt shows that Li which cannot be used tends to increase as it dissolves in the solution.
[0081]
Also, from Examples 6 to 9, the raw material of manganese spinel and MgAl2OFourIt can be seen that the longer the reaction time with, the lower the initial capacity, but the higher the capacity retention rate. In addition, even when the reaction time is relatively short, an excellent capacity retention rate can be obtained by using manganese spinel as a parent phase and MgAl dispersed in an island shape in the matrix.2OFourThe structure of the intermediate phase formed between and the fine MgAl that stabilizes the manganese spinel crystals2OFourThis is considered to have the same effect as particles. The existence of such an intermediate phase has been confirmed by micro X-ray diffraction measurement.
[0082]
From the results in Table 2, the following can be understood.
In Examples 1 and 4 in which the capacity retention rate is 95% or more, the lattice constant change rate is extremely small, whereas in Comparative Example 6 in which the capacity retention rate is 92% and Comparative Examples 1 to 4 and 10 in which the capacity retention rate is less than 90%, The lattice constant change rate shows a large value. This suggests that the comparative electrode material has a large structural change when stored at 60 ° C., and that the electrode materials of Examples 1 and 4 have almost no structural change. MgAl2OFourIt is considered that the cycle characteristics and the high-temperature storage characteristics are improved by uniformly dispersing the particles in the matrix and stabilizing the crystal structure of the electrode material through a common oxygen skeleton.
[0083]
The results of plotting the results in Table 3 are shown in FIG. On the horizontal axis, Li and Mn raw materials and MgAl2OFourAnd the reaction time at 800 ° C. is shown. The vertical axis represents the lattice constant of manganese spinel. Li and Mn raw materials and MgAl2OFourIn the sample obtained by reacting for 8 hours or more at 800 ° C., the lattice constant became constant.2OFourIs considered to have reacted completely and dissolved in manganese spinel.
That is, according to the present invention, MgAl which is another spinel component2OFourStarting material for MgAl2OFourMgAl because it is used2OFourCan be included in the manganese spinel in a highly dispersed state at the atomic level. Therefore, it is considered that a large number of Mg-O-Al bonds derived from another spinel component exist in the manganese spinel, and the crystal structure of the electrode material is greatly stabilized.
On the other hand, with the conventional technique, it is not possible to obtain a manganese spinel in which aluminum and magnesium are uniformly present at the atomic level. In other words, there is a region biased toward the replacement of manganese with aluminum and a region biased toward the replacement of lithium with magnesium.2OFourIs not included in manganese spinel in a highly dispersed state at the atomic level. Therefore, it is considered that there are few Mg—O—Al bonds derived from another spinel component in the manganese spinel, and the stabilization of the crystal structure of the electrode material becomes insufficient.
[0084]
Example 10
Basic magnesium carbonate and gallium oxide were weighed so that the molar ratio of magnesium to gallium was 1: 2, and these were mixed in an automatic mortar for 5 hours to form a pellet. The pellet was fired in air at 1400 ° C. for 5 hours, then pulverized in an automatic mortar for 5 hours, and formed into a pellet again. This pellet was calcined in air at 1400 ° C. for 5 hours, and MgGa2OFourWas synthesized. The MgGa thus obtained2OFourMgAl2OFourManganese spinel was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was used instead of.
As a result of conducting a charge / discharge test in the same manner as in Comparative Example 1 using the obtained manganese spinel, the initial capacity was 93 mAh / g and the capacity retention rate was 97%.
From this result, MgAl2OFourIt can be seen that even when another spinel component other than the above is dispersed in the manganese spinel, the capacity retention rate is higher than in the case of the manganese spinel of Comparative Example 1 synthesized without dispersing another spinel component.
[0085]
Example 11
In the same manner as in Example 1, MgAl2OFourWas synthesized.
Lithium carbonate, chromium oxide, and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium, chromium, and manganese was 1: 0.4: 1.6, and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture Got. The raw material mixture was then formed into pellets and calcined at 550 ° C. for 12 hours.
MgAl so that the molar ratio of lithium to magnesium is 95: 5.2OFourWas added and then pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. This powder was again formed into a pellet, and the pellet was fired at 800 ° C. for 12 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm to obtain a manganese spinel.
As a result of conducting a charge / discharge test in the same manner as in Comparative Example 1 except that the voltage range was 4.2 to 3.5 V, the initial capacity was 63 mAh / g, and the capacity retention rate was 98%.
[0086]
<< Comparative Example 16 >>
Lithium carbonate, chromium oxide, and manganese dioxide were weighed so that the molar ratio of lithium, chromium, and manganese was 1: 0.4: 1.6, and then mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a raw material mixture Got. Next, the raw material mixture was formed into a pellet and calcined at 550 ° C. for 12 hours, and then pulverized and mixed in an automatic mortar for 5 hours to obtain a powder. This powder was again formed into a pellet, and the pellet was fired at 800 ° C. for 12 hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 atm to obtain a manganese spinel.
As a result of conducting a charge / discharge test in the same manner as in Comparative Example 1 except that the voltage range was 4.2 to 3.5 V, the initial capacity was 70 mAh / g, and the capacity retention rate was 83%. From a comparison between Example 11 and Comparative Example 16, MgAl2OFourCompared to the manganese spinel of Comparative Example 16 synthesized without dispersing2OFourIt can be seen that the capacity retention rate is higher when the manganese spinel of Example 11 synthesized by dispersing is used. This suggests that when another spinel component is dispersed in manganese spinel having various compositions, the same capacity retention rate improving effect can be obtained in any manganese spinel having any composition.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an electrode material excellent in high-temperature storage stability, cycle characteristics, and the like can be obtained. The nonaqueous electrolyte secondary battery using this electrode material has improved characteristics, particularly at high temperatures, as compared with the prior art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 Li and Mn raw materials and MgAl2OFourIt is a figure which shows the relationship between the reaction time in 800 degreeC, and the lattice constant of manganese spinel.
Claims (11)
(2)リチウム含有遷移金属酸化物aまたはその原料と、リチウム含有遷移金属酸化物aよりも電気化学的に低活性な典型元素酸化物bとを混合する工程、
(3)工程(2)で得られた混合物を焼成する工程、
を有し、前記典型元素酸化物bが、スピネル型の結晶構造を有する電極材料の製造法。(1) a step of preparing a lithium-containing transition metal oxide a having a spinel crystal structure or a raw material thereof,
(2) A step of mixing lithium-containing transition metal oxide a or a raw material thereof with typical element oxide b that is electrochemically less active than lithium-containing transition metal oxide a.
(3) a step of firing the mixture obtained in step (2),
Have a, the typical element oxides b The production method of an electrode material which have a spinel-type crystal structure.
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