JP4735982B2 - Lithium-iron-manganese composite oxide - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム-鉄-マンガン複合酸化物、その製造方法、及びその用途に関する。 The present invention relates to a lithium-iron-manganese composite oxide, a production method thereof, and an application thereof.
現在、我が国において、携帯電話、ノートパソコンなどのポータブル機器に搭載されている二次電池の殆どは、傑出したエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池は、さらに、電気自動車、電力負荷平準化システムなどの種々の分野における大型電池としても、今後重要な役割を担うものと予測されており、その重要性はますます高まっている。 At present, most of the secondary batteries installed in portable devices such as mobile phones and notebook computers in Japan are lithium ion secondary batteries having outstanding energy density. Lithium ion secondary batteries are also expected to play an important role in the future as large batteries in various fields such as electric vehicles and power load leveling systems, and their importance is increasing. .
従来から、鉄を活用した4V級リチウム二次電池正極材料(本明細書においては、鉄系正極材料として記述する)は、電池の低コスト化、素材コストの安定化、環境負荷の低減化などの観点から必要とされてきた。本発明者らは、LiFeO2-Li2MnO3固溶体(本明細書にお
いては、リチウム-鉄-マンガン複合酸化物として記述する)が、4V級鉄系正極材料となり
うることをすでに見出している。(特許文献1および2)。また、ニッケルイオンを固溶させることにより、充放電特性を改善することが可能なことを明らかにしている(特許文献
3)。
Conventionally, 4V-class lithium secondary battery positive electrode materials that utilize iron (in this specification, described as iron-based positive electrode materials) have reduced battery costs, stabilized material costs, reduced environmental impact, etc. Has been needed from the perspective of The present inventors have already found that a LiFeO 2 —Li 2 MnO 3 solid solution (described in this specification as a lithium-iron-manganese composite oxide) can be a 4V class iron-based positive electrode material. (Patent Documents 1 and 2). It has also been clarified that charge / discharge characteristics can be improved by dissolving nickel ions (Patent Document 3).
しかしながら、非特許文献1が明らかにしている様に、上記組成式で示される材料の充放電特性は、材料中の鉄含有量或いは製造条件などに大きく影響されるので、大量生産時の品質管理は容易ではない。従って、リチウム-鉄-マンガン複合酸化物のどの様な組成、特性、製造方法などが、正極材料に対し安定で良好な充放電特性を付与しうるかを見出すことが極めて重要である。 However, as Non-Patent Document 1 reveals, the charge / discharge characteristics of the material represented by the above composition formula are greatly influenced by the iron content in the material or the manufacturing conditions, so quality control during mass production. Is not easy. Therefore, it is extremely important to find out what composition, characteristics, manufacturing method, etc. of the lithium-iron-manganese composite oxide can give stable and good charge / discharge characteristics to the positive electrode material.
また、リチウム-鉄-マンガン複合酸化物の結晶構造内のLiイオンと遷移金属イオンの分布を制御することで、安定で良好な充放電特性を有する材料を提供することが可能であることも知られている(特許文献4参照)。 It is also known that by controlling the distribution of Li ions and transition metal ions in the crystal structure of lithium-iron-manganese composite oxide, it is possible to provide a material with stable and good charge / discharge characteristics. (See Patent Document 4).
しかしながら、特許文献1、2、4等に記載されているリチウム-鉄-マンガン複合酸化物では、初期充電容量の40%にも達する不活性容量の低減が重要な課題となっている。
本発明は、リチウムイオン二次電池の正極材料として安定で良好な充放電特性を発揮することができ、しかも既存の正極材料と比較してより優れた充放電特性を有するリチウム-鉄-マンガン複合酸化物を提供することを主な目的とする。 The present invention is a lithium-iron-manganese composite that can exhibit stable and good charge / discharge characteristics as a positive electrode material of a lithium ion secondary battery, and that has superior charge / discharge characteristics compared to existing positive electrode materials. The main purpose is to provide oxides.
本発明者は、上記した鉄系正極材料の現状に鑑みて種々の研究を重ねた結果、特定の条件を満足するリチウム-鉄-マンガン複合酸化物が、上記した目的を達成し得るものである
ことを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
The present inventor has conducted various studies in view of the present situation of the iron-based positive electrode material, and as a result, a lithium-iron-manganese composite oxide satisfying specific conditions can achieve the above-described object. As a result, the present invention has been completed.
即ち、本発明は、下記の各項に係る発明を提供するものである。
1. 組成式:Li1+x-y(FezMn1-z)1-xO2(式中、各添字は次の数値である。x=0.05〜0.20
、y=0.10〜0.75、z=0.4〜0.7。但し、y≧xである)で表され、下記(1)〜(4)に示す
条件を満足する二相共存状態にあること特徴とするリチウム−鉄−マンガン複合酸化物:(1)第一相は空間群R-3mに属するα-NaFeO2型構造であり、3aサイト (原子座標:0,0,0)にはLiイオンが存在し、3bサイト (原子座標:0,0,1/2)にはFeイオン、Mnイオン及びLi
イオンが不規則に混在する 、
(2)第一相の6cサイト(原子座標:0,0,z)の内、原子座標が0.33<z≦0.39で表される、4つの酸化物イオンで囲まれた酸素4面体サイトから5pm以内にあるサイトにFeイオンが存在し、その量は6cサイトの席占有率換算で1%以上12%以下である、
(3)第二相は空間群Fm-3mに属するNaCl型構造であり、4aサイト(0,0,0)にFeイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在し、4bサイト(原子座標:1/2,1/2,1/2)に酸化物イオ
ンが存在する、
(4)第一相の存在比は、モル分率で60%以上90%以下である。
2. 組成式:Li1+x(FezMn1-z)1-xO2 (式中、各添字は、次の数値である。x=0.05〜0.23、z=0.4〜0.7)で表され、下記(1)〜(4)に示す条件を満足する二相共存状態にある複合酸化物を、酸化性物質を含有する溶液に接触させることを特徴とする上記項1に記載されたリチウム−鉄−マンガン複合酸化物の製造方法:
(1)第一相は空間群R-3mに属するα-NaFeO2型構造であり、3aサイト (原子座標:0,0,0)にはLiイオンが存在し、3bサイト (原子座標:0,0,1/2)には、Feイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在する、
(2)第一相の6cサイト(原子座標:0,0,z)の内、原子座標が0.33<z≦0.39で表される4つの酸化物イオンで囲まれた酸素4面体サイトから5pm以内にあるサイトにFeイオンが存在する場合、その量は6cサイトの席占有率換算で1%未満である、
(3)第二相は空間群Fm-3mに属するNaCl型構造であり、4aサイト(0,0,0)にFeイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在し、4bサイト(原子座標:1/2,1/2,1/2)サイトに酸化
物イオンが存在する、
(4)第一相の存在比は、モル分率で60%以上90%以下である。
3. 上記項1に記載の複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極材料。
4. 上記項3に記載の材料を正極に用いたリチウムイオン二次電池。
That is, this invention provides the invention which concerns on each following item.
1. Composition formula: Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (where each subscript is the following numerical value, x = 0.05 to 0.20)
, Y = 0.10-0.75, z = 0.4-0.7. However, it is y> x) and is in a two-phase coexistence state satisfying the conditions shown in the following (1) to (4): (1) first The phase is α-NaFeO 2 type structure belonging to the space group R-3m, Li ions are present at the 3a site (atomic coordinates: 0,0,0), and the 3b site (atomic coordinates: 0,0,1 / 2) Fe ions, Mn ions and Li
Ion is mixed irregularly,
(2) Among the 6c sites of the first phase (atomic coordinates: 0, 0, z), 5 pm from the oxygen tetrahedral site surrounded by four oxide ions whose atomic coordinates are expressed by 0.33 <z ≦ 0.39 Fe ion is present in the site within, the amount is 1% or more and 12% or less in terms of seat occupancy rate of the 6c site,
(3) The second phase is a NaCl-type structure belonging to the space group Fm-3m. Fe ions, Mn ions and Li ions are irregularly mixed in the 4a site (0,0,0), and the 4b site (atomic coordinates). : 1/2, 1/2, 1/2) oxide ions are present
(4) The abundance ratio of the first phase is 60% or more and 90% or less in terms of molar fraction.
2. Composition formula: Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (in the formula, each subscript is the following numerical value: x = 0.05 to 0.23, z = 0.4 to 0.7), The lithium-iron described in item 1 above, wherein a composite oxide satisfying the following conditions (1) to (4) is brought into contact with a solution containing an oxidizing substance: -Manufacturing method of manganese composite oxide:
(1) The first phase is α-NaFeO 2 type structure belonging to the space group R-3m, Li ions are present at the 3a site (atomic coordinates: 0,0,0), and the 3b site (atomic coordinates: 0 , 0,1 / 2), Fe ions, Mn ions and Li ions are mixed irregularly,
(2) Within 5pm from the oxygen tetrahedron site surrounded by four oxide ions whose atomic coordinates are 0.33 <z ≦ 0.39 among the 6c sites of the first phase (atomic coordinates: 0,0, z) In the case where Fe ions are present at the site, the amount is less than 1% in terms of seat occupancy of the 6c site.
(3) The second phase is a NaCl-type structure belonging to the space group Fm-3m. Fe ions, Mn ions and Li ions are irregularly mixed in the 4a site (0,0,0), and the 4b site (atomic coordinates). : 1/2, 1/2, 1/2) Oxide ions are present at the site.
(4) The abundance ratio of the first phase is 60% or more and 90% or less in terms of molar fraction.
3. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery, comprising the composite oxide according to Item 1.
4). A lithium ion secondary battery using the material according to item 3 for a positive electrode.
以下、本発明のリチウム-鉄-マンガン複合酸化物の製造方法及び該複合酸化物が備えるべき要件について詳細に説明する。 Hereinafter, the method for producing the lithium-iron-manganese composite oxide of the present invention and the requirements that the composite oxide should have will be described in detail.
リチウム−鉄−マンガン複合酸化物の製造方法
I.工程(1)
工程(1)は、鉄塩とマンガン塩の混合溶液にアルカリ水溶液を添加して共沈物を得る工
程である。
Method for producing lithium-iron-manganese composite oxide
I. Process (1)
Step (1) is a step of obtaining a coprecipitate by adding an alkaline aqueous solution to a mixed solution of an iron salt and a manganese salt.
鉄源材料およびマンガン源材料としては、それぞれの金属の水溶性塩(塩化物、硝酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩など)、水酸化物などを用いることができる。これらの化合物は、無水物および水和物のいずれであってもよい。これらの塩類および水酸化物は、両金属について、それぞれ単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。また、金属源としては、いずれの金属についても、金属や金属酸化物を塩酸などの酸で溶解させた水溶液を用いてもよい。 As the iron source material and the manganese source material, water-soluble salts (chlorides, nitrates, sulfates, oxalates, acetates, etc.), hydroxides, and the like of the respective metals can be used. These compounds may be either anhydrides or hydrates. These salts and hydroxides may be used alone or in combination of two or more for both metals. As the metal source, for any metal, an aqueous solution in which a metal or metal oxide is dissolved with an acid such as hydrochloric acid may be used.
混合水溶液中のFe/(Fe+Mn)モル比は、目的とする複合金属酸化物中のFe/(Fe+Mn)モル比に応じて、適宜選択することができるが、上記組成式に対応して、0.4≦z≦0.7程度とす
ることがより好ましい。
The Fe / (Fe + Mn) molar ratio in the mixed aqueous solution can be appropriately selected according to the Fe / (Fe + Mn) molar ratio in the target composite metal oxide, but corresponds to the above composition formula Thus, it is more preferable that 0.4 ≦ z ≦ 0.7.
本発明においては、鉄塩とマンガン塩の混合溶液に対しアルカリ水溶液を添加して、鉄-マンガン共沈物を沈殿させるに際し、反応温度を、好ましくは20℃以下、より好ましく
は10℃以下、さらに好ましくは5〜-15℃程度に保持する。この温度制御により、不純物としてのスピネルフェライト(MnFe2O4)の生成を抑制して、目的とする複合酸化物中の鉄イ
オン量の低下を防止することが可能となる。特に、0℃以下の低温状態を維持するために
、不凍液としての機能を発揮するに必要な量のメタノール、エタノール、エチレングリコールなどのアルコールを混合溶液に添加することが好ましい。不凍液の添加量は、設定反応温度を考慮して、水100重量部に対し1〜50重量部程度とすることができる。
In the present invention, an alkaline aqueous solution is added to a mixed solution of an iron salt and a manganese salt to precipitate an iron-manganese coprecipitate, and the reaction temperature is preferably 20 ° C. or less, more preferably 10 ° C. or less, More preferably, it is kept at about 5 to -15 ° C. By this temperature control, it is possible to suppress the generation of spinel ferrite (MnFe 2 O 4 ) as an impurity and prevent a decrease in the amount of iron ions in the target composite oxide. In particular, in order to maintain a low temperature state of 0 ° C. or lower, it is preferable to add an amount of alcohol such as methanol, ethanol, ethylene glycol or the like necessary for exhibiting the function as an antifreeze solution to the mixed solution. The amount of antifreeze added can be about 1 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of water in consideration of the set reaction temperature.
上記混合溶液から鉄-マンガン共沈物を形成させるためのアルカリ源としては、水酸化
リチウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニアなどを水溶液の形態(通常0.1〜20M程度、好ましくは0.5〜10M程度)で使用することができる。アルカリ源水溶液は、攪拌下に、混合溶液が完全にアルカリ性(pH11以上)となるまで滴下する。アルカリ源として水酸化リチウムを使用する場合には、アルカリ源由来のリチウムも、目的とする複合酸化物中のリチウム成分の一部を構成することになる。
As an alkali source for forming an iron-manganese coprecipitate from the above mixed solution, lithium hydroxide, potassium hydroxide, sodium hydroxide, ammonia and the like are in the form of an aqueous solution (usually about 0.1 to 20M, preferably 0.5 to 10M). Degree). The aqueous alkali source solution is added dropwise with stirring until the mixed solution becomes completely alkaline (pH 11 or more). When lithium hydroxide is used as the alkali source, lithium derived from the alkali source also constitutes a part of the lithium component in the target composite oxide.
II.工程(2)
次いで、0〜150℃程度(より好ましくは20〜100℃程度)で2〜7日間程度(より好ましくは3
〜5日間程度)の時間をかけて、共沈物を含む反応液に空気を吹き込みつつ、共沈物の酸化と熟成とを行う。次いで、得られた酸化物を蒸留水で洗浄して、過剰のアルカリ成分および残留塩類を除去し、濾別した共沈物を得る。
II. Process (2)
Next, it is about 0 to 150 ° C. (more preferably about 20 to 100 ° C.) for about 2 to 7 days (more preferably 3
Over about 5 days), the coprecipitate is oxidized and aged while blowing air into the reaction solution containing the coprecipitate. The resulting oxide is then washed with distilled water to remove excess alkali components and residual salts, and a coprecipitate separated by filtration is obtained.
III.工程(3)
次いで、精製した共沈物を、ポリテトラフルオロエチレン製ビーカー等の容器中で蒸留水と混合し、これに水酸化リチウム(無水物および/または水和物)、塩化リチウム、硝酸
リチウムなどのリチウム化合物を0.1〜10M程度(より好ましくは1〜8M程度)の濃度となる
ように加えて攪拌し、さらに塩素酸カリウムなどの酸化剤を0.1〜10M程度(より好ましく
は0.5〜5M程度の濃度)となるように加えて攪拌した後、この容器を水熱反応装置(例えば、オートクレーブ)内に静置して、容器内の混合物を水熱反応に供する。この水熱反応処理用混合物は、リチウム塩と酸化剤とを含む液を予め調製した後、これに上記の生成共沈物を加え、攪拌することにより、調製しても良い。
III. Process (3)
Next, the purified coprecipitate is mixed with distilled water in a container such as a polytetrafluoroethylene beaker, and this is mixed with lithium such as lithium hydroxide (anhydride and / or hydrate), lithium chloride, and lithium nitrate. The compound is added to a concentration of about 0.1 to 10M (more preferably about 1 to 8M) and stirred, and further an oxidizing agent such as potassium chlorate is about 0.1 to 10M (more preferably a concentration of about 0.5 to 5M). Then, the vessel is allowed to stand in a hydrothermal reactor (for example, an autoclave), and the mixture in the vessel is subjected to a hydrothermal reaction. This hydrothermal reaction treatment mixture may be prepared by preparing a liquid containing a lithium salt and an oxidizing agent in advance, and then adding the product coprecipitate to this and stirring.
水熱反応条件は、特に限定されるものではないが、通常100〜400℃程度の温度で0.1〜150時間程度であり、より好ましくは150〜300℃程度の温度で1〜100時間程度である。 Hydrothermal reaction conditions are not particularly limited, but are usually about 100 to 400 ° C. for about 0.1 to 150 hours, more preferably about 150 to 300 ° C. for about 1 to 100 hours. .
水熱反応処理終了の反応液を放冷させた後、残存するリチウム塩などを除去するために、水熱反応処理生成物を水、水-アルコール、アセトンなどにより洗浄し、ろ過する。か
くして、精製した層状岩塩型リチウム-鉄-マンガン複合酸化物(低結晶性試料)を得ることができる。
After allowing the reaction solution after completion of the hydrothermal reaction treatment to cool, the hydrothermal reaction treatment product is washed with water, water-alcohol, acetone, etc. and filtered to remove the remaining lithium salt and the like. Thus, a purified layered rock salt type lithium-iron-manganese composite oxide (low crystalline sample) can be obtained.
IV.工程(4)
次いで、層状岩塩型リチウム−鉄−マンガン複合酸化物の結晶性を一層向上させるため、上記で得られた複合酸化物を粉砕し、粉末形態或いは水溶液形態のLi塩(水酸化リチウム
、塩化リチウム、硝酸リチウムなどから選択される:添加量はアルカリ種により異なるが、水酸化リチウム、水酸化カリウムの場合、仕込モル量に対して0.3-1.2倍モル程度のリ
チウム塩が必要であり、水酸化ナトリウムの場合は仕込量の0.3-1.7倍モル程度のリチウ
ム塩が必要である)と混合し、大気中において50〜200℃程度(より好ましくは70〜150℃程度の温度)で乾燥後粉砕した後、大気中、酸化性雰囲気中、不活性雰囲気中或いは還元雰
囲気中で525〜775℃程度(より好ましくは550〜750℃程度)で1〜200時間程度(より好まし
くは10-100時間程度)焼成してもよい。リチウム塩は、反応の均一性を確保するために、
水溶液の形態で使用することがより好ましい。さらに、この焼成終了後、過剰のリチウム塩を除去するために、焼成物を水洗処理或いは溶媒洗浄処理し、濾過した後、80℃以上の温度(より好ましくは100℃程度の温度)で加熱乾燥してもよい。
IV. Process (4)
Next, in order to further improve the crystallinity of the layered rock salt type lithium-iron-manganese composite oxide, the composite oxide obtained above is pulverized and Li salt (lithium hydroxide, lithium chloride, It is selected from lithium nitrate, etc .: The amount added varies depending on the alkali species, but in the case of lithium hydroxide and potassium hydroxide, a lithium salt of about 0.3-1.2 times mol of the charged molar amount is required. In this case, it is necessary to mix about 0.3-1.7 times the molar amount of lithium salt charged), dry in the atmosphere at about 50 to 200 ° C (more preferably about 70 to 150 ° C), and then pulverize Firing in air, in an oxidizing atmosphere, in an inert atmosphere or in a reducing atmosphere at about 525 to 775 ° C. (more preferably about 550 to 750 ° C.) for about 1 to 200 hours (more preferably about 10 to 100 hours) May be. Lithium salt is used to ensure reaction uniformity.
More preferably, it is used in the form of an aqueous solution. Further, after the firing, in order to remove excess lithium salt, the fired product is subjected to a water washing treatment or a solvent washing treatment, filtered, and then dried by heating at a temperature of 80 ° C. or higher (more preferably, a temperature of about 100 ° C.). May be.
さらに、この加熱乾燥物を粉砕し、焼成し、洗浄し、乾燥するという一連の操作を繰り返し行うことにより、リチウム−鉄−マンガン複合酸化物の優れた特性(リチウムイオン
二次電池用正極材料としての作動電圧領域における安定的な充放電特性、高容量など)を
より一層改善することができる。
Furthermore, by repeating a series of operations of pulverizing, firing, washing, and drying this heat-dried product, excellent characteristics of the lithium-iron-manganese composite oxide (as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery) The stable charge / discharge characteristics, high capacity, etc. in the operating voltage range can be further improved.
上記の工程(1)〜(4) を経て合成されたリチウム−鉄−マンガン複合酸化物は、二相共
存状態である。
The lithium-iron-manganese composite oxide synthesized through the above steps (1) to (4) is in a two-phase coexistence state.
第一相は空間群R-3mに属するα-NaFeO2型構造であり、Naサイト(すなわち3aサイト、原子座標:0,0,0)にはLiイオンが存在し、Feサイト(すなわち3bサイト、原子座標:0,0,1/2)には、Feイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在している。図1にその3a、3b各
サイトと酸化物イオンの占めるサイトを示している。
The first phase is an α-NaFeO 2 type structure belonging to the space group R-3m, with Li ions present at the Na site (ie, 3a site, atomic coordinates: 0,0,0), and Fe sites (ie, 3b site). Atomic coordinates: 0, 0, 1/2), Fe ions, Mn ions, and Li ions are irregularly mixed. FIG. 1 shows
また、6cサイト(原子座標:0,0,z)の内、原子座標が0.33<z≦0.39で表される、4つの酸化物イオンで囲まれた酸素4面体サイトから5pm以内にあるサイトにFeイオンが存在する場合、その量は6cサイトの席占有率換算で1%未満である。尚、6cサイトの回りには、18hサイトおよび36iサイトが存在し、18hサイトは6cサイトの3倍、36iサイトは6cサイトの6倍の席が存在するため、6cサイトと同量の鉄イオンを分配する場合、18hサイトでは6cサ
イトの1/3倍、36iサイトは6cサイトの1/6倍の席占有率となる。したがって、ここでいう6cサイトの席占有率換算値は、6cサイトの席占有率をgc、18hサイトの席占有率をgh、36i
サイトの席占有率をgiとすると、gc+3gh+6giで表され、gc+3gh+6giが1%未満になることを意味している。また、1%未満とは0との識別が難しい領域であり、0%を含んでいる。
Further, among the 6c sites (atomic coordinates: 0,0, z), the atomic coordinates are expressed as 0.33 <z ≦ 0.39, and the sites are within 5pm from the oxygen tetrahedral site surrounded by four oxide ions. When Fe ions are present, the amount is less than 1% in terms of seat occupancy at the 6c site. There are 18h and 36i sites around the 6c site. The 18h site has 3 times the 6c site and the 36i site has 6 times the 6c site, so the same amount of iron ions as the 6c site. , The 18h site will have 1/3 times the 6c site, and the 36i site will have 1/6 times the 6c site. Therefore, the seat occupancy conversion value for the 6c site mentioned here is gc for the seat occupancy for the 6c site, gh for the seat occupancy for the 18h site,
If the seat occupancy rate of the site is gi, it is expressed as gc + 3gh + 6gi, which means that gc + 3gh + 6gi will be less than 1%. Further, less than 1% is an area that is difficult to distinguish from 0, and includes 0%.
第二相は空間群Fm-3mに属するNaCl型構造であり、Naサイト(すなわち4aサイト、原子座標:0,0,0)にFeイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在し、Clサイト(すなわち4b
サイト、原子座標:1/2,1/2,1/2)には、酸化物イオンが存在している。第一相と第二相の存在比は、モル分率で第一相が60%以上90%以下を占めている。この存在比は、望ましくは60%以上85%以下であり、さらに望ましくは60%以上80%以下、さらに望ましくは60%以上75%以下である。
The second phase is a NaCl-type structure belonging to the space group Fm-3m. Fe ions, Mn ions, and Li ions are randomly mixed at Na sites (ie, 4a sites, atomic coordinates: 0,0,0), and Cl Site (i.e. 4b
Oxide ions are present at the site, atomic coordinates: 1/2, 1/2, 1/2). The abundance ratio of the first phase to the second phase is 60% or more and 90% or less in the first phase in terms of molar fraction. This abundance ratio is desirably 60% or more and 85% or less, more desirably 60% or more and 80% or less, and further desirably 60% or more and 75% or less.
両相をあわせた全体の組成は、組成式:Li1+x(FezMn1-z)1-xO2(式中、各添字は、次の
数値である。x=0.05〜0.23、z=0.4〜0.7)で表すことができる。
The total composition of both phases is as follows: Composition formula: Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (wherein each subscript is the following numerical value: x = 0.05 to 0.23, z = 0.4 to 0.7).
V.工程(5):
次いで、上記(4)工程で得られた複合酸化物を、酸化性物質を含む溶液に接触させる
。この工程によって、(4)工程で得られた複合酸化物に対する化学的な酸化が進行し、
該複合酸化物中に含まれる遷移金属成分のイオンの平均価数が大きくなり、Liの一部が脱離する。
V. Process (5):
Next, the composite oxide obtained in the step (4) is brought into contact with a solution containing an oxidizing substance. Through this step, chemical oxidation of the composite oxide obtained in step (4) proceeds,
The average valence of the transition metal component ions contained in the composite oxide is increased, and a part of Li is desorbed.
この方法でLiの一部を脱離させて得られる複合酸化物は、上記工程(4)において得られ
た複合酸化物と比較して、リチウムイオン二次電池用正極材料としての作動電圧領域における安定的な充放電特性、高容量などが、より一層向上したものとなる。
Compared with the composite oxide obtained in the above step (4), the composite oxide obtained by desorbing a part of Li by this method is in the operating voltage range as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery. Stable charge / discharge characteristics, high capacity, and the like are further improved.
工程(5)で用いる酸化性物質を含む溶液では、酸化性物質としては、例えば、MoF6、W
F6等の6フッ化物;窒素酸化物(NOx, 1≦x≦2);NO2PF6;過酸化水素、過酸化ナトリウム
等の過酸化物;過マンガン酸カリウム等の過マンガン酸塩;臭素等のハロゲン;硫酸等の酸化性の酸等を用いることができる。
In the solution containing the oxidizing substance used in the step (5), as the oxidizing substance, for example, MoF 6 , W
Hexafluorides such as F 6 ; nitrogen oxides (NO x , 1 ≦ x ≦ 2); NO 2 PF 6 ; peroxides such as hydrogen peroxide and sodium peroxide; permanganates such as potassium permanganate Halogens such as bromine; oxidizing acids such as sulfuric acid can be used.
該溶液では、溶媒としては、水、極性有機溶媒等を用いることができる。特に、室温において容易に気化する有機溶媒が好ましく、沸点が27℃以下の有機溶媒が特に好ましい。この様な有機溶媒の具体例としては、アセトニトリル等を例示できる。この様な低沸点の溶媒を用いる場合には、(4)工程で得られた複合酸化物を該溶液に接触させた後、容易
に除去できるので、複合酸化物の表面に溶媒が吸着してLi電池用材料としての性能を低下させることがない。
In the solution, water, a polar organic solvent, or the like can be used as the solvent. In particular, an organic solvent that easily vaporizes at room temperature is preferable, and an organic solvent having a boiling point of 27 ° C. or less is particularly preferable. A specific example of such an organic solvent is acetonitrile. When such a low-boiling solvent is used, since the composite oxide obtained in the step (4) can be easily removed after contacting the solution, the solvent is adsorbed on the surface of the composite oxide. The performance as a Li battery material is not deteriorated.
上記(4)工程で得られた複合酸化物を、酸化性物質を含む溶液に接触させる方法につ
いては特に限定はないが、通常、該溶液中に処理対象の複合酸化物を均一に分散させればよい。
The method of bringing the composite oxide obtained in the step (4) into contact with a solution containing an oxidizing substance is not particularly limited, but usually the composite oxide to be treated can be uniformly dispersed in the solution. That's fine.
溶液の濃度と量や混合する試料の量は、特に限定されるものではないが、この処理前後での化学平衡により脱離されるLi量が決まるため、目的とする試料のLi含有量と反応に用いる温度における溶質の溶解度から、最適値を決めることができる。 The concentration and amount of the solution and the amount of sample to be mixed are not particularly limited, but the amount of Li desorbed is determined by the chemical equilibrium before and after this treatment, so the Li content of the target sample and the reaction The optimum value can be determined from the solubility of the solute at the temperature used.
例えば、溶媒としてアセトニトリルを用いる場合には、酸化性物質としては、MoF6、WF6等の6フッ化物、臭素等のハロゲン、NO2PF6等を好適に用いることができる。この場合を例にすると、臭素を用いる場合には、Li1+x(FezMn1-z)1-xO2(x=0.05〜0.23、z=0.4〜0.7)に対して、x〜30倍(望ましくは1〜20倍、さらに望ましくは10〜18倍)のモル比の臭素を溶解した30〜200g/dm3(望ましくは60〜170g/dm3、さらに望ましくは90〜150g/dm3)程度の臭素濃度のアセトニトリル溶液を用いることができる。この場合、
Li1+x(FezMn1-z)1-xO2+(y/2)Br2 → Li1+x-y(FezMn1-z)1-xO2+ yLiBr
という反応が生じる。上記反応は、酸化剤である臭素と右辺の物質が共存して化学平衡に達するので、y値は臭素と試料のモル比と反応の酸化ポテンシャルの関係で決まる。
For example, when acetonitrile is used as the solvent, as the oxidizing substance, hexafluorides such as MoF 6 and WF 6 , halogens such as bromine, NO 2 PF 6 and the like can be suitably used. Taking this case as an example, when bromine is used, Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (x = 0.05 to 0.23, z = 0.4 to 0.7), x to 30-200 g / dm 3 (preferably 60-170 g / dm 3 , more preferably 90-150 g / dm) with bromine dissolved in a molar ratio of 30 times (preferably 1-20 times, more preferably 10-18 times) 3 ) An acetonitrile solution having a bromine concentration of about can be used. in this case,
Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + (y / 2) Br 2 → Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + yLiBr
This reaction occurs. In the above reaction, bromine as the oxidant and the substance on the right side coexist and reach chemical equilibrium, so the y value is determined by the relationship between the molar ratio of bromine and the sample and the oxidation potential of the reaction.
また、MoF6、WF6等の6フッ化物、NO2PF6等を酸化性物質として用いる場合には、Li1+x(FezMn1-z)1-xO2(x=0.05〜0.23、z=0.4〜0.7)に対して、x〜0.4倍(望ましくはx〜0.3倍、さらに望ましくはx〜x+0.05倍)のモル比のNO2PF6、MoF6、WF6等を溶解したアセトニトリル溶液を用いることができる。この場合、
Li1+x(FezMn1-z)1-xO2+ yNO2PF6 → Li1+x-y(FezMn1-z)1-xO2+ yNO2 + LiPF6
Li1+x(FezMn1-z)1-xO2+ yMoF6 → Li1+x-y(FezMn1-z)1-xO2+ yLiMoF6
Li1+x(FezMn1-z)1-xO2+ yWF6 → Li1+x-y(FezMn1-z)1-xO2+ yLiWF6
という反応が生じる。上記の反応は右に進むので、化学平衡に達した場合y値は酸化剤と
試料のモル比で決まる。この場合のアセトニトリル溶液では、酸化性物質の濃度は、例えば、10〜200g/dm3程度とすることができる。
In addition, when using hexafluoride such as MoF 6 and WF 6 and NO 2 PF 6 as an oxidizing substance, Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (x = 0.05 to 0.23, z = 0.4 to 0.7), NO 2 PF 6 , MoF 6 , WF 6 etc. in a molar ratio of x to 0.4 times (preferably x to 0.3 times, more preferably x to x + 0.05 times) A dissolved acetonitrile solution can be used. in this case,
Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + yNO 2 PF 6 → Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + yNO 2 + LiPF 6
Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + yMoF 6 → Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + yLiMoF 6
Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + yWF 6 → Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 + yLiWF 6
This reaction occurs. Since the above reaction proceeds to the right, the y value is determined by the molar ratio of oxidant to sample when chemical equilibrium is reached. In the acetonitrile solution in this case, the concentration of the oxidizing substance can be, for example, about 10 to 200 g / dm 3 .
反応に要する時間は、溶液の容積と試料粉末の量や粒径さらに反応温度によって異なるので特に限定されるものではなく、混合によって化学平衡が達成できればよい。この反応を十分進ませるため、混合時にマグネティックスターラ等を用いて、均質な撹拌を行えば反応時間の短縮が可能である。例えば、通常4時間程度の撹拌で十分であるが、試料の粒
径によってはその2倍程度の時間を要することもある。
The time required for the reaction is not particularly limited because it varies depending on the volume of the solution, the amount and particle size of the sample powder, and the reaction temperature, and it is only necessary to achieve chemical equilibrium by mixing. In order to sufficiently advance this reaction, it is possible to shorten the reaction time by carrying out homogeneous stirring using a magnetic stirrer or the like during mixing. For example, stirring for about 4 hours is usually sufficient, but it may take about twice as long depending on the particle size of the sample.
反応終了後は、溶媒を用いた洗浄とろ過等の分離を繰り返すことで、過剰な溶質や溶解した目的物以外の生成物を取り除くことができる。溶媒についても、その種類に応じた温度で乾燥することで、溶媒を取り除くことができる。例えば、アセトニトリルでは100℃
で4時間以上、望ましくは6時間以上、さらに望ましくは8時間以上乾燥すれば十分である
。
After completion of the reaction, it is possible to remove excess solute and products other than the dissolved target product by repeating separation such as washing with a solvent and filtration. The solvent can also be removed by drying at a temperature corresponding to the type of the solvent. For example, 100 ° C for acetonitrile
For 4 hours or longer, preferably 6 hours or longer, more preferably 8 hours or longer.
リチウム−鉄−マンガン複合酸化物
上記した方法によって、本発明のリチウム−鉄−マンガン複合酸化物を得ることができる。
Lithium-iron-manganese composite oxide The lithium-iron-manganese composite oxide of the present invention can be obtained by the method described above.
上記工程(5)の処理後の複合酸化物は、処理前と同様に二相共存状態である。第一相
は空間群R-3mに属するα-NaFeO2型構造であり、Naサイト(すなわち3aサイト、原子座標:0,0,0)にはLiイオンが存在し、Feサイト(すなわち3bサイト、原子座標:0,0,1/2)にはFe
イオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在する。さらに、6cサイト(原子座標:0,0,z)の内、原子座標が0.33<z≦0.39で表される、4つの酸化物イオンで囲まれた酸素4面
体サイトから5pm以内にあるサイトにFeイオンが存在し、その量は6cサイトの席占有率換
算で1%以上12%以下である。6cサイトの席占有率は、望ましくは2%以上10%以下、さらに
望ましくは3%以上8%以下である。ここで、6cサイトの席占有率換算は、上記工程(4)で得
られた試料と同様に、6cサイトの席占有率をgc、18hサイトの席占有率をgh、36iサイトの席占有率をgiとすると、gc+3gh+6giで表されるものである。図1は、第一相の構造を模式的に示すものであり、Feイオンの占めるサイトは6cサイトを代表させて示してある。
The composite oxide after the treatment in the step (5) is in a two-phase coexistence state as before the treatment. The first phase is an α-NaFeO 2 type structure belonging to the space group R-3m, with Li ions present at the Na site (ie, 3a site, atomic coordinates: 0,0,0), and Fe sites (ie, 3b site). , Atomic coordinates: 0,0,1 / 2)
Ions, Mn ions, and Li ions are mixed irregularly. Furthermore, among the 6c sites (atomic coordinates: 0,0, z), the atomic coordinates are expressed as 0.33 <z ≦ 0.39, and the site is within 5pm from the oxygen tetrahedral site surrounded by four oxide ions. Fe ions are present, and the amount is 1% or more and 12% or less in terms of seat occupancy at the 6c site. The seat occupancy rate of the 6c site is preferably 2% to 10%, more preferably 3% to 8%. Here, the seat occupancy ratio of the 6c site is the same as the sample obtained in the above step (4), the seat occupancy ratio of the 6c site is gc, the seat occupancy ratio of the 18h site is gh, and the seat occupancy ratio of the 36i site is If g is gi, it is expressed as gc + 3gh + 6gi. FIG. 1 schematically shows the structure of the first phase, and the sites occupied by Fe ions are represented by 6c sites.
また、第二相は空間群Fm-3mに属するNaCl型構造であり、Naサイト(すなわち4aサイト、原子座標:0,0,0)には、Feイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在しており、Clサイト(すなわち4bサイト、原子座標:1/2,1/2,1/2)には酸化物イオンが存在している。本
発明の複合酸化物における第一相と第二相の存在比は、モル分率で第一相が60%以上90%以下を占めている。この存在比は、望ましくは61%以上85%以下であり、さらに望ましくは62%以上82%以下である。この第一相のモル分率は、第4工程で得られた試料と比較すると、
同一又は大きい値となる。
The second phase is a NaCl-type structure belonging to the space group Fm-3m. Fe ions, Mn ions, and Li ions are irregularly distributed at the Na site (ie, 4a site, atomic coordinates: 0, 0, 0). Oxide ions are present at Cl sites (ie, 4b sites, atomic coordinates: 1/2, 1/2, 1/2). The abundance ratio of the first phase and the second phase in the composite oxide of the present invention is such that the first phase accounts for 60% or more and 90% or less in terms of molar fraction. This abundance ratio is desirably 61% or more and 85% or less, and more desirably 62% or more and 82% or less. The mole fraction of this first phase is compared to the sample obtained in the fourth step,
It is the same or larger value.
両相をあわせた全体の組成は、一般式Li1+x-y(FezMn1-z)1-xO2(式中、各添字は次の数
値である。x=0.05〜0.20、y=0.10〜0.75、z=0.4〜0.7。但し、y≧xである) で表すことができる。
The total composition of both phases is represented by the general formula Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (where each subscript is the following numerical value: x = 0.05 to 0.20, y = 0.10 to 0.75, z = 0.4 to 0.7, where y ≧ x).
上記した本発明の複合酸化物の結晶構造は、粉末X線回折法によって得られたパターンを最小二乗法でフィッティングするリートベルト法と呼ばれる解析手法で、容易に確認することができる。本願明細書のデータは"RIETAN-2000"(F. Izumi and T. Ikeda, Mater. Sci. Forum, 321-324 (2000) 198-203.)という、日本国内で普及しているソフトウェアを用いている。 The above-described crystal structure of the composite oxide of the present invention can be easily confirmed by an analysis method called a Rietveld method in which a pattern obtained by a powder X-ray diffraction method is fitted by a least square method. The data in this specification is “RIETAN-2000” (F. Izumi and T. Ikeda, Mater. Sci. Forum, 321-324 (2000) 198-203.) Yes.
工程(5)を経て作製されたリチウム−鉄−マンガン複合酸化物は、上記工程(4)において作製された複合酸化物と比較して、リチウムイオン二次電池用正極材料としての作動電圧領域における安定的な充放電特性、高容量などが、更に向上したものとなる。 The lithium-iron-manganese composite oxide produced through the step (5) is compared with the composite oxide produced in the above step (4) in the operating voltage region as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery. Stable charge / discharge characteristics, high capacity, etc. are further improved.
本発明によるリチウム-鉄-マンガン系複合酸化物を用いるリチウムイオン二次電池は、公知の手法により製造することができる。すなわち、正極材料として、本発明方法により得られた複合酸化物を使用し、負極材料として、公知の金属リチウム、リチウム合金、炭素系材料(活性炭、黒鉛、難黒鉛化炭素等)などを使用し、電解液として、公知のエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの非水系溶媒に過塩素酸リチウム、LiPF6など
のリチウム塩を溶解させた溶液を使用し、さらにその他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組立てることができる。
The lithium ion secondary battery using the lithium-iron-manganese composite oxide according to the present invention can be manufactured by a known method. That is, the composite oxide obtained by the method of the present invention is used as the positive electrode material, and a known metal lithium, lithium alloy, carbon-based material (activated carbon, graphite, non-graphitizable carbon, etc.) is used as the negative electrode material. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving a lithium salt such as lithium perchlorate or LiPF 6 in a known non-aqueous solvent such as ethylene carbonate or dimethyl carbonate, and other known battery components are used. The lithium ion secondary battery can be assembled according to a conventional method.
本発明によるリチウム-鉄-マンガン複合酸化物は、既存のリチウムコバルト酸化物系正
極材料と同等の作動電圧領域(約4V)において安定に充放電させることができるばかりでなく、作動電圧領域を約3Vとすることで、200mAh/gを越す高容量を示す新規な材料である。
The lithium-iron-manganese composite oxide according to the present invention can be stably charged and discharged in an operating voltage range (about 4 V) equivalent to that of an existing lithium cobalt oxide-based positive electrode material. It is a new material that shows a high capacity exceeding 200mAh / g by using 3V.
本発明によるリチウム-鉄-マンガン複合酸化物は、既存のリチウム-鉄-マンガン系複合酸化物に比して、初期充放電の不活性容量が抑制され、充放電効率、容量とも高い材料である。 The lithium-iron-manganese composite oxide according to the present invention is a material in which the inactive capacity of initial charge / discharge is suppressed and the charge / discharge efficiency and capacity are higher than those of the existing lithium-iron-manganese composite oxide .
また、本発明によるリチウム-鉄-マンガン複合酸化物は、安価な原料を使用して合成することができる。 Further, the lithium-iron-manganese composite oxide according to the present invention can be synthesized using inexpensive raw materials.
本発明によるリチウム-鉄-マンガン複合酸化物は、高温環境下においても正極材料として優れた性能を発揮し得るものである。例えば、高温充放電条件(例えば、60℃程度)において、実用化されている代表的な低価格正極材料であるリチウムマンガンスピネルと比較した場合に、より高容量を有するものである。よって、本発明のリチウム-鉄-マンガン複合酸化物は、例えば、車載用二次電池などの高温環境下で使用される可能性のあるリチウムイオン二次電池用の正極としても優れた性能を発揮することができる。 The lithium-iron-manganese composite oxide according to the present invention can exhibit excellent performance as a positive electrode material even in a high temperature environment. For example, it has a higher capacity when compared with lithium manganese spinel, which is a typical low-cost cathode material that has been put into practical use under high-temperature charge / discharge conditions (for example, about 60 ° C.). Therefore, the lithium-iron-manganese composite oxide of the present invention exhibits excellent performance as a positive electrode for a lithium ion secondary battery that may be used in a high temperature environment such as an in-vehicle secondary battery. can do.
本発明方法によるリチウム-鉄-マンガン複合酸化物は、特に、サイクル劣化の少ない、低コストのリチウムイオン二次電池用正極材料として、極めて有用である。 The lithium-iron-manganese composite oxide according to the method of the present invention is extremely useful as a positive electrode material for lithium ion secondary batteries with low cycle deterioration and low cost.
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
実施例1及び2
ガラス製ビーカーに0.125molに相当する硝酸鉄(III)九水和物50.50gと0.125molに相当
する塩化マンガン(II)四水和物24.72gを秤量し、蒸留水300cm3を加えてよく攪拌し、完全に溶解させた。得られた鉄-マンガン混合水溶液を入れたビーカーを氷冷槽内で室温以下(5℃)に保っておいた。
Examples 1 and 2
In a glass beaker, weigh 50.50 g of iron (III) nitrate nonahydrate equivalent to 0.125 mol and 24.72 g of manganese (II) chloride tetrahydrate equivalent to 0.125 mol, add 300 cm 3 of distilled water and stir well. And completely dissolved. The beaker containing the obtained iron-manganese mixed aqueous solution was kept at room temperature or lower (5 ° C.) in an ice-cooled tank.
別のガラス製ビーカーに水酸化リチウム一水和物50gを秤量し、蒸留水300cm3を加えて
攪拌し、完全に溶解させた。得られた水酸化リチウム水溶液を、5℃に保たれた鉄-マンガン混合水溶液に徐々に滴下して、鉄-マンガン共沈物を作製した。
In another glass beaker, 50 g of lithium hydroxide monohydrate was weighed, 300 cm 3 of distilled water was added and stirred to completely dissolve. The obtained lithium hydroxide aqueous solution was gradually dropped into an iron-manganese mixed aqueous solution kept at 5 ° C. to prepare an iron-manganese coprecipitate.
共沈物を含む反応液を氷冷槽より取り出し、室温で空気を吹き込みながら共沈物を2日
間空気酸化した。空気酸化後の共沈物に蒸留水1000cm3を加え、よく攪拌した後、濾過し
て過剰の水酸化リチウム、水溶性塩などを分離除去した。
The reaction solution containing the coprecipitate was taken out of the ice-cooled bath, and the coprecipitate was air oxidized for 2 days while blowing air at room temperature. Distilled water (1000 cm 3) was added to the air-oxidized coprecipitate and stirred well, followed by filtration to separate and remove excess lithium hydroxide, water-soluble salts and the like.
容量1000cm3のポリテトラフルオロエチレン製ビーカーに、水酸化カリウム309g、水酸
化リチウム1水和物50gおよび塩素酸カリウム(酸化剤)50gを秤量し、蒸留水500cm3を加え
、よく攪拌した後、上記で得た濾過物を加え、攪拌して分散させた。このポリテトラフルオロエチレン製ビーカーをオートクレーブ中に静置し、220℃で8時間水熱処理を行った。水熱反応終了後の処理液を自然冷却した後、オートクレーブから生成物を取り出し、蒸留水にて5回デカンテーションを行って生成物を洗浄し、濾過し、ポリテトラフルオロエチ
レン製シャーレに移した。このシャーレ内に水酸化リチウム1水和物0.25mol(10.49g)を蒸留水100cm3に溶解させた水酸化リチウム水溶液を加え、よく攪拌した後、100℃で乾燥さ
せた。
In a polytetrafluoroethylene beaker with a capacity of 1000 cm 3 , weighed 309 g of potassium hydroxide, 50 g of lithium hydroxide monohydrate and 50 g of potassium chlorate (oxidant), added 500 cm 3 of distilled water, and stirred well, The filtrate obtained above was added and dispersed by stirring. The polytetrafluoroethylene beaker was left in an autoclave and hydrothermally treated at 220 ° C. for 8 hours. After natural cooling of the treatment liquid after completion of the hydrothermal reaction, the product was taken out from the autoclave, washed with distilled water 5 times, washed, filtered, and transferred to a polytetrafluoroethylene petri dish. . A lithium hydroxide aqueous solution in which 0.25 mol (10.49 g) of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 100 cm 3 of distilled water was added to the petri dish, and the mixture was stirred well and then dried at 100 ° C.
次いで、乾燥生成物をめのう乳鉢にてよく粉砕した後、得られた粉末をアルミナ製焼成容器に薄く広げて入れ、電気炉を用いて大気中750℃で20時間焼成を行った。(実施例2
は、この焼成条件を700℃としたものである。)焼成後、生成物を室温まで24時間かけて
冷却し、粉砕した後、蒸留水により5回デカンテーションを行って、過剰の水酸化リチウ
ム、炭酸リチウムなどを除去し、濾過し、100℃で12時間乾燥させた。この工程で得られ
た試料を焼成後試料という。
Next, after the dried product was pulverized well in an agate mortar, the obtained powder was thinly spread in an alumina firing container and fired at 750 ° C. for 20 hours in the atmosphere using an electric furnace. Example 2
Is a temperature of 700 ° C. ) After calcination, the product was cooled to room temperature over 24 hours, pulverized, then decanted with distilled water 5 times to remove excess lithium hydroxide, lithium carbonate, etc., filtered, and 100 ° C Dry for 12 hours. The sample obtained in this step is referred to as a post-baking sample.
次いで、得られた焼成後試料を2.00g量り取り、アセトニトリル(CH3CN)200cm3と臭素(Br)25gの溶液中で4時間程度撹拌後、分散した紛体試料をろ過分離した。アセトニトリルによる洗浄とろ過を3回繰り返し、100℃で8時間乾燥させた。 Next, 2.00 g of the obtained calcined sample was weighed and stirred for about 4 hours in a solution of acetonitrile (CH 3 CN) 200 cm 3 and bromine (Br) 25 g, and the dispersed powder sample was separated by filtration. Washing with acetonitrile and filtration were repeated three times, followed by drying at 100 ° C. for 8 hours.
以上の結果、目的物質であるリチウム-鉄-マンガン複合酸化物が得られた。この複合酸化物を最終試料という。 As a result, a target lithium-iron-manganese composite oxide was obtained. This composite oxide is referred to as a final sample.
上記した方法で得られた焼成後試料と最終試料について、表1に焼成工程の条件を示し、表2に誘導結合プラズマ(ICP)法分析により求めた金属組成を示す。更に、リートベル
ト法で確認した結晶構造データを表3〜5に示す。
Table 1 shows the conditions for the firing step and Table 2 shows the metal composition obtained by inductively coupled plasma (ICP) analysis for the post-fired sample and the final sample obtained by the above method. Furthermore, the crystal structure data confirmed by the Rietveld method are shown in Tables 3-5.
ICP法分析により、実施例1における焼成後試料のモル分率はLi:Fe:Mn=1.20:0.40:0.40、最終試料のモル分率はLi:Fe:Mn=0.99:0.40:0.40であることが確認できた。したが
って、表2に示すように、式Li1+x-y(FezMn1-z)1-xO2中の1+x-yおよびz値は、それぞれ0.99および0.50と見積もられた。
According to the ICP method analysis, the molar fraction of the fired sample in Example 1 is Li: Fe: Mn = 1.20: 0.40: 0.40, and the molar fraction of the final sample is Li: Fe: Mn = 0.99: 0.40: 0.40. Was confirmed. Therefore, as shown in Table 2, the 1 + xy and z values in the formula Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 were estimated to be 0.99 and 0.50, respectively.
以上より、焼成後試料と最終試料とを比較すると、FeとMnのモル比は0.50で変化は無く、Liのみが減少していることがわかる。すなわち、酸化性物質を含む溶液による処理を行うことによって、Liの一部が脱離したことが確認できた。x値は0.20、yは0.21と見積もられ、z値も0.4-0.7の範囲内なので、目的組成の物質が得られていることがわかった(表2参照)。 From the above, comparing the calcined sample and the final sample, it can be seen that the molar ratio of Fe and Mn is 0.50, no change and only Li is decreased. That is, it was confirmed that a part of Li was desorbed by treatment with a solution containing an oxidizing substance. Since the x value was estimated to be 0.20, y was estimated to be 0.21, and the z value was within the range of 0.4 to 0.7, it was found that the substance having the target composition was obtained (see Table 2).
結晶構造評価
リートベルト法解析用のX線回折パターンデータは、2θ範囲15-120°、0.02°ステッ
プ、各ステップ10s積算で測定した。図2に実施例1で得られた最終試料についてのリー
トベルト法によるフィッティング結果を示す。R-3mの空間群を有するα-NaFeO2型構造 (
図1参照)相とFm-3mの空間群を有するNaCl型構造相の二相混合状態であることが明らかとなっている。図2において、縦棒で示された2段のマーカーは、上段は第一相のピーク位置を、下段は第二相のピーク位置を示している。残差として示された折線は、実測値と計算値の差を示したものである。
X-ray diffraction pattern data for analysis of the Rietveld method for crystal structure evaluation was measured in 2θ range 15-120 °, 0.02 ° step, and 10s integration for each step. FIG. 2 shows the result of fitting by the Rietveld method for the final sample obtained in Example 1. Α-NaFeO type 2 structure with R-3m space group (
It is clear that this is a two-phase mixed state of a NaCl-type structural phase having a phase group and a Fm-3m space group. In FIG. 2, in the two-stage markers indicated by vertical bars, the upper stage indicates the peak position of the first phase, and the lower stage indicates the peak position of the second phase. The broken line shown as the residual indicates the difference between the measured value and the calculated value.
実施例1では、Li脱離前後で各相の格子定数には目立った変化がなく(表3、4)、Li脱離に伴い、6cサイトのFeイオンが1%未満から6.7%と増えていることが分かる。また、第一相のモル分率も65%から69%に増加している。 In Example 1, there was no noticeable change in the lattice constant of each phase before and after Li desorption (Tables 3 and 4), and the Fe ions at the 6c site increased from less than 1% to 6.7% with Li desorption. I understand that. The molar fraction of the first phase has also increased from 65% to 69%.
充放電特性評価
上記した実施例1における焼成後試料と最終試料をそれぞれ20mg用い、これに対して、アセチレンブラック5mgおよびポリテトラフルオロエチレン粉末0.5mgを加えて、乳鉢にて混合し、金属アルミニウム集電体に圧着した。得られた正極合材を120℃で真空乾燥した
後、グローブボックス内に導入し、グローブボックス内にて支持塩LiPF6とエチレンカー
ボネートおよびジエチルカーボネート混合溶媒からなる電解液と金属リチウム負極を用いて、コイン型リチウム二次電池を作製した。
Evaluation of charge / discharge characteristics Using 20 mg each of the sample after firing and the final sample in Example 1 described above, 5 mg of acetylene black and 0.5 mg of polytetrafluoroethylene powder were added thereto, mixed in a mortar, and collected with metal aluminum. Crimped to electrical body. The obtained positive electrode mixture was vacuum-dried at 120 ° C., and then introduced into the glove box. In the glove box, the electrolyte composed of the supporting salt LiPF 6 and ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solvent and the metal lithium negative electrode were used. A coin-type lithium secondary battery was produced.
この電池を充放電装置に接続し、試験温度60℃、充放電電位範囲2.5-4.5V、充放電電流密度42mA/gで、充電開始で充放電特性評価を行った。図3には、充放電曲線を示す。また、下記表6にその結果を示す。 This battery was connected to a charge / discharge device, and charge / discharge characteristics were evaluated at the start of charge at a test temperature of 60 ° C., a charge / discharge potential range of 2.5-4.5 V, and a charge / discharge current density of 42 mA / g. FIG. 3 shows a charge / discharge curve. The results are shown in Table 6 below.
図3および表6から、放電容量は200mAh/g以上を有し、初期放電時に4V平坦領域が現れ、初期放電平均電圧も3.0V以上、初期充放電効率も85%以上有していることは明らかであ
る。このことから、本発明による複合酸化物(最終試料)が3V級リチウム二次電池材料として良好な特性を有していることが確認できた。
From FIG. 3 and Table 6, the discharge capacity is 200mAh / g or more, the 4V flat region appears at the initial discharge, the initial discharge average voltage is 3.0V or more, and the initial charge / discharge efficiency is 85% or more. it is obvious. From this, it was confirmed that the composite oxide (final sample) according to the present invention has good characteristics as a 3V class lithium secondary battery material.
本発明の複合酸化物が上記した優れた特性を有する理由については、必ずしも明確ではないが、Li脱離の工程によりFeイオンの移動が生じており、それにより生じた結晶構造内の欠損が、今まで不活性だった容量を活性化する働きをしていると考えることができる。また、第二相が相対的に不活性であると仮定すれば、第一相の増加によっても容量が増加していると考えられる。いずれにせよ、第一相のモル分率は60%以上あり、充放電特性は
第一相の特性向上によるものと考えられる。
The reason why the composite oxide of the present invention has the above-described excellent characteristics is not necessarily clear, but the movement of Fe ions is caused by the Li desorption process, and the defects in the crystal structure caused thereby, It can be considered that it works to activate the capacity that has been inactive until now. If it is assumed that the second phase is relatively inactive, it is considered that the capacity is increased due to the increase in the first phase. In any case, the molar fraction of the first phase is 60% or more, and the charge / discharge characteristics are considered to be due to the improvement of the characteristics of the first phase.
以上の結果から、実施例1の材料(最終試料)を用いた電池は、平均放電電圧3.4V、放電容量200-220mAh/gでサイクル充放電可能であることが判る。特に、初期充放電効率の向上は特筆すべきものであり、電池を設計する際の材料構成の検討を容易にするものである。 From the above results, it can be seen that the battery using the material of Example 1 (final sample) can be cycled and discharged at an average discharge voltage of 3.4 V and a discharge capacity of 200-220 mAh / g. In particular, the improvement of the initial charge / discharge efficiency is notable, and facilitates the study of the material configuration when designing the battery.
Claims (4)
(1)第一相は空間群R-3mに属するα-NaFeO2型構造であり、3aサイト (原子座標:0,0,0)にはLiイオンが存在し、3bサイト (原子座標:0,0,1/2)にはFeイオン、Mnイオン及びLi
イオンが不規則に混在する 、
(2)第一相の6cサイト(原子座標:0,0,z)の内、原子座標が0.33<z≦0.39で表される、4つの酸化物イオンで囲まれた酸素4面体サイトから5pm以内にあるサイトにFeイオンが存在し、その量は6cサイトの席占有率換算で1%以上12%以下である、
(3)第二相は空間群Fm-3mに属するNaCl型構造であり、4aサイト(0,0,0)にFeイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在し、4bサイト(原子座標:1/2,1/2,1/2)に酸化物イオ
ンが存在する、
(4)第一相の存在比は、モル分率で60%以上90%以下である。 Composition formula: Li 1 + xy (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (in the formula, each subscript is the following numerical value: x = 0.05 to 0.20, y = 0.10 to 0.75, z = 0.4 to 0.7) However, the lithium-iron-manganese composite oxide is characterized in that it is in a two-phase coexistence state that satisfies the following conditions (1) to (4):
(1) The first phase is α-NaFeO 2 type structure belonging to the space group R-3m, Li ions are present at the 3a site (atomic coordinates: 0,0,0), and the 3b site (atomic coordinates: 0 , 0,1 / 2) include Fe ions, Mn ions and Li
Ion is mixed irregularly,
(2) Among the 6c sites of the first phase (atomic coordinates: 0, 0, z), 5 pm from the oxygen tetrahedral site surrounded by four oxide ions whose atomic coordinates are expressed by 0.33 <z ≦ 0.39 Fe ion is present in the site within, the amount is 1% or more and 12% or less in terms of seat occupancy rate of the 6c site,
(3) The second phase is a NaCl-type structure belonging to the space group Fm-3m. Fe ions, Mn ions and Li ions are irregularly mixed in the 4a site (0,0,0), and the 4b site (atomic coordinates). : 1/2, 1/2, 1/2) oxide ions are present
(4) The abundance ratio of the first phase is 60% or more and 90% or less in terms of molar fraction.
(1)第一相は空間群R-3mに属するα-NaFeO2型構造であり、3aサイト (原子座標:0,0,0)にはLiイオンが存在し、3bサイト (原子座標:0,0,1/2)には、Feイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在する、
(2)第一相の6cサイト(原子座標:0,0,z)の内、原子座標が0.33<z≦0.39で表される4つの酸化物イオンで囲まれた酸素4面体サイトから5pm以内にあるサイトにFeイオンが存在する場合、その量は6cサイトの席占有率換算で1%未満である、
(3)第二相は空間群Fm-3mに属するNaCl型構造であり、4aサイト(0,0,0)にFeイオン、Mnイオン及びLiイオンが不規則に混在し、4bサイト(原子座標:1/2,1/2,1/2)サイトに酸化
物イオンが存在する、
(4)第一相の存在比は、モル分率で60%以上90%以下である。 Composition formula: Li 1 + x (Fe z Mn 1-z ) 1-x O 2 (in the formula, each subscript is the following numerical value: x = 0.05 to 0.23, z = 0.4 to 0.7), 2. The lithium-iron according to claim 1, wherein a composite oxide satisfying the following conditions (1) to (4) is brought into contact with a solution containing an oxidizing substance: -Manufacturing method of manganese composite oxide:
(1) The first phase is α-NaFeO 2 type structure belonging to the space group R-3m, Li ions are present at the 3a site (atomic coordinates: 0,0,0), and the 3b site (atomic coordinates: 0 , 0,1 / 2), Fe ions, Mn ions and Li ions are mixed irregularly,
(2) Within 5pm from the oxygen tetrahedron site surrounded by four oxide ions whose atomic coordinates are 0.33 <z ≦ 0.39 among the 6c sites of the first phase (atomic coordinates: 0,0, z) In the case where Fe ions are present at the site, the amount is less than 1% in terms of seat occupancy of the 6c site.
(3) The second phase is a NaCl-type structure belonging to the space group Fm-3m. Fe ions, Mn ions and Li ions are irregularly mixed in the 4a site (0,0,0), and the 4b site (atomic coordinates). : 1/2, 1/2, 1/2) Oxide ions are present at the site.
(4) The abundance ratio of the first phase is 60% or more and 90% or less in terms of molar fraction.
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