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JP7831005B2 - Lithium spinel-type manganese oxide, its manufacturing method, and its uses - Google Patents
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JP7831005B2 - Lithium spinel-type manganese oxide, its manufacturing method, and its uses - Google Patents

Lithium spinel-type manganese oxide, its manufacturing method, and its uses

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JP7831005B2 JP2022029513A JP2022029513A JP7831005B2 JP 7831005 B2 JP7831005 B2 JP 7831005B2 JP 2022029513 A JP2022029513 A JP 2022029513A JP 2022029513 A JP2022029513 A JP 2022029513A JP 7831005 B2 JP7831005 B2 JP 7831005B2
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Description

本開示は、スピネル型マンガン酸リチウム及びその製造方法並びにその用途に関するものであり、より詳しくは、リン化合物を含有したスピネル型マンガン酸リチウム及びその製造方法、並びにリチウムイオン二次電池に関する。 This disclosure relates to spinel-type lithium manganese oxide, a method for producing the same, and its applications; more specifically, to spinel-type lithium manganese oxide containing a phosphorus compound, a method for producing the same, and lithium-ion secondary batteries.

リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高いことから、携帯電話等の小型の電子機器に用いる電池として幅広く使用されている。最近では、定置用や車載用といった大型で大容量と高出力が必要とされる用途への適用が進められており、更なる高性能化が期待されている。 Lithium-ion rechargeable batteries are widely used in small electronic devices such as mobile phones due to their high energy density. Recently, their application is progressing to larger, high-capacity, and high-output applications, such as stationary and automotive batteries, and further performance improvements are expected.

現在のリチウムイオン二次電池の正極材料として、携帯電話等の民生用小型電池には主にコバルト系材料(LiCoO)が、定置用や車載用にはニッケル系材料(LiNi0.8Co0.15Al0.05)やニッケル-コバルト-マンガン三元系材料(LiNi0.5Co0.2Mn0.3等)が主に使用されている。しかし、コバルト原料やニッケル原料は埋蔵量が少なく高価であり、多量の確保が難しいことに加え、出力特性があまり高くない。 Currently, for lithium-ion secondary batteries, cobalt-based materials ( LiCoO₂ ) are mainly used as cathode materials in consumer batteries such as those for mobile phones, while nickel-based materials ( LiNi₀.8Co₀.15Al₀.05O₂ ) or nickel - cobalt -manganese ternary materials ( LiNi₀.5Co₀.2Mn₀.3O₂ , etc. ) are mainly used for stationary and automotive applications. However, cobalt and nickel raw materials are scarce and expensive, making it difficult to secure large quantities, and their power output characteristics are not very high.

一方、マンガン系材料の一つであるスピネル型マンガン酸リチウムは、原料のマンガンが安価かつ豊富に存在するため多量に入手可能であり、また、安全性に優れることから、大型電池に適した材料の一つである。 On the other hand, spinel-type lithium manganese oxide, a manganese-based material, is readily available in large quantities because its raw material, manganese, is inexpensive and abundant. Furthermore, its superior safety features make it a suitable material for large batteries.

しかしながら、スピネル型マンガン酸リチウムは高温安定性、すなわち、高温における電池特性、特に保存特性や充放電特性に問題があり、この課題の解決が検討されていた。例えば、特許文献1及び特許文献2では、いずれもリン酸塩を含有したスピネル型マンガン酸リチウムが提案されているが、高温における電池特性に改善の余地を残している。 However, spinel-type lithium manganese oxide has problems with high-temperature stability, specifically with its battery characteristics at high temperatures, particularly its storage and charge/discharge properties. Solutions to this problem have been under consideration. For example, Patent Documents 1 and 2 both propose spinel-type lithium manganese oxide containing phosphate, but these still leave room for improvement in high-temperature battery characteristics.

特許第5556983号公報Patent No. 5556983 特開2017-31006号公報Japanese Patent Publication No. 2017-31006

本開示の目的は、二次電池の電極として使用した際に、高温における電池特性、特に保存特性及び充放電特性に優れるスピネル型マンガン酸リチウム及びその製造方法の少なくともいずれかを提供することであり、さらには、該スピネル型マンガン酸リチウムを用いた電極、またはリチウムイオン二次電池を提供するものである。 The purpose of this disclosure is to provide at least one of the spinel-type lithium manganese oxide and a method for producing the same, which exhibits excellent battery characteristics at high temperatures, particularly storage characteristics and charge/discharge characteristics, when used as an electrode in a secondary battery. Furthermore, the aim is to provide an electrode using the spinel-type lithium manganese oxide, or a lithium-ion secondary battery.

すなわち、本発明は特許請求の範囲のとおりであり、また、本開示の要旨は以下のとおりである。
(1) リン化合物を含有し、化学式Li1+XMn2-X-Y(式中、0.02≦X≦0.20、0.05≦Y≦0.30であり、MはAlまたはMgである。)で表されるスピネル型マンガン酸リチウムであって、前記リン化合物のBET比表面積が10m/g以上80m/g以下であるスピネル型マンガン酸リチウム。
(2) 前記リン化合物の含有量が0.1質量%以上10質量%以下である(1)に記載のスピネル型マンガン酸リチウム。
(3) BET比表面積が0.2m/g以上1.5m/g以下である(1)又は(2)に記載のスピネル型マンガン酸リチウム。
(4) 二次粒子の平均粒子径が4.0μm以上20.0μm以下である(1)乃至(3)のいずれかに記載のスピネル型マンガン酸リチウム。
(5) SOの含有量が0.8質量%以下である(1)乃至(4)のいずれかに記載のスピネル型マンガン酸リチウム。
(6) Naの含有量が3000質量ppm以下である(1)乃至(5)のいずれかに記載のスピネル型マンガン酸リチウム。
(7) マンガン源、リチウム源、並びに、アルミニウム及びマグネシウムの少なくともいずれかを含む金属源、を含む組成物を750℃以上970℃以下で焼成して焼成物を得る焼成工程と、該焼成物に前記リン化合物を含有させるリン化合物含有工程と、を有する、(1)乃至(6)のいずれかに記載のスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法。
(8) (1)乃至(6)のいずれかに記載のスピネル型マンガン酸リチウムを含む電極。
(9) (8)に記載の電極を含むリチウムイオン二次電池。
In other words, the present invention is as claimed, and the gist of this disclosure is as follows.
(1) A spinel-type lithium manganate containing a phosphorus compound and represented by the chemical formula Li 1 + X Mn 2-X-Y M Y O 4 (wherein 0.02 ≤ X ≤ 0.20, 0.05 ≤ Y ≤ 0.30, and M is Al or Mg), wherein the BET specific surface area of the phosphorus compound is 10 /g or more and 80 /g or less.
(2) The spinel-type lithium manganate according to (1), wherein the content of the phosphorus compound is 0.1% by mass or more and 10% by mass or less.
(3) The spinel-type lithium manganate described in (1) or (2), wherein the BET specific surface area is 0.2 /g or more and 1.5 /g or less.
(4) A spinel-type lithium manganate according to any one of (1) to (3), wherein the average particle diameter of the secondary particles is 4.0 μm or more and 20.0 μm or less.
(5) A spinel-type lithium manganate according to any one of (1) to (4), wherein the SO₄ content is 0.8% by mass or less.
(6) A spinel-type lithium manganate according to any one of (1) to (5), wherein the Na content is 3000 ppm by mass or less.
(7) A method for producing spinel-type lithium manganate according to any one of (1) to (6), comprising: a firing step of firing a composition comprising a manganese source, a lithium source, and a metal source comprising at least one of aluminum and magnesium at 750°C to 970°C to obtain a fired product; and a phosphorus compound-containing step of making the fired product contain the phosphorus compound.
(8) An electrode containing spinel-type lithium manganate as described in any of (1) to (6).
(9) A lithium-ion secondary battery containing the electrodes described in (8).

本開示によれば、二次電池の電極として使用した際に、高温における電池特性、特に保存特性及び充放電特性に優れるスピネル型マンガン酸リチウム及びその製造方法の少なくともいずれかを提供することが可能になり。さらには、該スピネル型マンガン酸リチウムを用いた電極、またはリチウムイオン二次電池を提供することが可能になる。 According to this disclosure, it becomes possible to provide at least one of the following: a spinel-type lithium manganese oxide and a method for producing the same, which exhibits excellent battery characteristics at high temperatures, particularly storage characteristics and charge/discharge characteristics, when used as an electrode in a secondary battery. Furthermore, it becomes possible to provide an electrode using the spinel-type lithium manganese oxide, or a lithium-ion secondary battery.

実施例1で得られたスピネル型マンガン酸リチウムの粒子断面のTEM-EDX像である。This is a TEM-EDX image of a particle cross-section of spinel-type lithium manganate obtained in Example 1. 実施例1で得られたスピネル型マンガン酸リチウムの粒子断面のXRDパターンである。This is the XRD pattern of the particle cross-section of spinel-type lithium manganate obtained in Example 1. 比較例1で得られたスピネル型マンガン酸リチウムの粒子断面のXRDパターンである。This is the XRD pattern of the particle cross-section of spinel-type lithium manganate obtained in Comparative Example 1.

本開示について、一実施形態を示して詳細に説明するが、本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。 This disclosure will be described in detail with reference to one embodiment, but this disclosure is not limited to the following embodiment.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムは、表面にリン化合物を有する。リン化合物としては、本願発明の効果が得られるものであれば特に限定されるものではないが、無機化合物であることが好ましく、さらにはリン酸塩であることが好ましく、例えば、LiPO、LiPO等のリチウムのリン酸塩、NaPO4、NaHPO、NaHPO等のナトリウムのリン酸塩、KPO、KHPO、KHPO等のカリウムのリン酸塩等が挙げられる。好ましくはLiPO、LiPOであり、より好ましくはLiPOである。以下、本明細書においては、リン化合物はリン酸塩として記載する。リン酸塩がスピネル型マンガン酸リチウムに含有されることにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際に優れた電池性能を示し、特に高温において優れた保存特性及び充放電特性を得ることが可能となる。含有されるリン酸塩の性状には特に制限はなく、結晶質性のもの、結晶質性で多孔性のもの、結晶質性で緻密なもの、非晶質性のもの、非晶質性で多孔性のもの、非晶質性で緻密な状態のもの等が例示されるが、これらに限定されない。 The spinel-type lithium manganate of this embodiment has a phosphorus compound on its surface. The phosphorus compound is not particularly limited as long as it can achieve the effects of the present invention, but it is preferably an inorganic compound, and more preferably a phosphate salt. Examples include lithium phosphates such as Li3PO4 and LiPO3 , sodium phosphates such as Na3PO4 , NaH2PO4 , and Na2HPO4 , and potassium phosphates such as K3PO4 , KH2PO4 , and K2HPO4 . Preferably Li3PO4 and LiPO3 , and more preferably Li3PO4 . Hereinafter, the phosphorus compound will be described as a phosphate salt. When a phosphate salt is included in spinel-type lithium manganate, it exhibits excellent battery performance when used as a positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries, and in particular, it is possible to obtain excellent storage characteristics and charge/discharge characteristics at high temperatures. There are no particular restrictions on the properties of the phosphate contained, and examples include crystalline, crystalline and porous, crystalline and dense, amorphous, amorphous and porous, and amorphous and dense, but are not limited to these.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムは、化学式Li1+XMn2-X-Y(式中、0.02≦X≦0.20、0.05≦Y≦0.30であり、MはAlまたはMgである。)で表される。Xの値が0.02未満であることで高温における保存及び充放電での容量低下が発生し、0.20を超えることで十分な充放電容量が得られなくなる。また、Yの値が0.05未満であると高温における保存及び充放電での容量低下が発生し、0.30を超えると十分な充放電容量が得られなくなる。X及びYはスピネル型マンガン酸リチウムを組成分析することで求めることができる。組成分析の方法としては、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(以下、「ICP」ともいう。)、原子吸光分析等が挙げられる。 The spinel-type lithium manganate of this embodiment is represented by the chemical formula Li₁ +X₂Mn₂ -X- Y₁Y₂Y₂O₄ (wherein 0.02 ≤ X ≤ 0.20, 0.05 ≤ Y ≤ 0.30, and M is Al or Mg). If the value of X is less than 0.02, a decrease in capacity occurs during storage and charging/discharging at high temperatures, and if it exceeds 0.20, sufficient charging/discharging capacity cannot be obtained. Similarly, if the value of Y is less than 0.05, a decrease in capacity occurs during storage and charging/discharging at high temperatures, and if it exceeds 0.30, sufficient charging/discharging capacity cannot be obtained. X and Y can be determined by compositional analysis of the spinel-type lithium manganate. Examples of compositional analysis methods include inductively coupled plasma emission spectrometry (hereinafter also referred to as "ICP") and atomic absorption spectrometry.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムに含有されるリン酸塩はBET比表面積が10m/g以上80m/g以下である。これにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際に、電解液中に含まれるフッ化水素をリン酸塩で捕捉する反応が速やかに進行する。その結果、フッ化水素とスピネル型マンガン酸リチウムの反応に起因するマンガン溶出が抑制され、高温において優れた保存特性及び充放電特性が得られる。リン酸塩のBET比表面積が10m/g未満であることで、フッ化水素をリン酸塩で捕捉する反応が速やかに進行せず、80m/gを超えることで、本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムを正極とした際の電極密度が低下する。リン酸塩のBET比表面積は10m/g以上50m/g以下であることが好ましく、10m/g以上30m/g以下であることがより好ましい。リン酸塩のBET比表面積は窒素ガス吸着法(BET法)から求めることができる。 The phosphate contained in the spinel-type lithium manganate of this embodiment has a BET specific surface area of 10 /g or more and 80 /g or less. This allows the reaction in which hydrogen fluoride contained in the electrolyte is captured by the phosphate to proceed rapidly when used as a positive electrode active material in a lithium-ion secondary battery. As a result, manganese elution caused by the reaction between hydrogen fluoride and spinel-type lithium manganate is suppressed, and excellent storage and charge/discharge characteristics are obtained at high temperatures. If the BET specific surface area of the phosphate is less than 10 /g, the reaction in which hydrogen fluoride is captured by the phosphate does not proceed rapidly, and if it exceeds 80 /g, the electrode density decreases when the spinel-type lithium manganate of this embodiment is used as the positive electrode. Preferably, the BET specific surface area of the phosphate is 10 /g or more and 50 /g or less, and more preferably 10 /g or more and 30 /g or less. The BET specific surface area of phosphates can be determined using the nitrogen gas adsorption method (BET method).

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムのリン酸塩の含有量は、0.1質量%以上10質量%以下であることが好ましく、0.2質量%以上6質量%以下であることがより好ましい。これにより、本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムをリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際の充放電容量がより大きくなる。本実施形態におけるリン酸塩の含有量は、スピネル型マンガン酸リチウムの質量に対する、スピネル型マンガン酸リチウムに含まれるP元素をLiPO換算した質量の割合(質量%)である。すなわち、リン酸塩の含有量は、ICP測定で求めたP元素の濃度(質量%)に、LiPO/P(原子量比)をかけてLiPO換算することで求めることができる。 In this embodiment, the phosphate content of the spinel-type lithium manganate is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 0.2% by mass or more and 6% by mass or less. This increases the charge and discharge capacity when the spinel-type lithium manganate of this embodiment is used as the positive electrode active material of a lithium-ion secondary battery. In this embodiment, the phosphate content is the ratio (mass%) of the mass of element P contained in the spinel-type lithium manganate, converted to Li₃PO₄ , relative to the mass of the spinel-type lithium manganate. That is, the phosphate content can be determined by multiplying the concentration (mass%) of element P obtained by ICP measurement by Li₃PO₄ /P (atomic weight ratio) and converting it to Li₃PO₄ .

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムに含有されるリン酸塩は多孔質であることが好ましい。リン酸塩が多孔質であることにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際に電解液中に含まれるフッ化水素をより速やかに補足できる。その結果、フッ化水素とスピネル型マンガン酸リチウムの反応に起因するマンガン溶出がさらに抑制され、高温において優れた保存特性及び充放電サイクル特性が得られる。リン酸塩が多孔質であることは、スピネル型マンガン酸リチウム粒子の断面TEM-EDX測定により判定することができる。 The phosphate contained in the spinel-type lithium manganate of this embodiment is preferably porous. The porous nature of the phosphate allows for more rapid capture of hydrogen fluoride contained in the electrolyte when used as a positive electrode active material in a lithium-ion secondary battery. As a result, manganese elution caused by the reaction between hydrogen fluoride and spinel-type lithium manganate is further suppressed, resulting in excellent storage and charge-discharge cycle characteristics at high temperatures. The porous nature of the phosphate can be determined by cross-sectional TEM-EDX measurement of the spinel-type lithium manganate particles.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積は、0.2m/g以上1.5m/g以下であることが好ましく、0.2m/g以上1.0m/g以下であることがより好ましく、0.3m/g以上0.8m/g以下であることがさらに好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際に、高温においてより優れた保存特性及び充放電特性を得ることが可能になる。 The BET specific surface area of the spinel-type lithium manganate in this embodiment is preferably 0.2 /g or more and 1.5 /g or less, more preferably 0.2 /g or more and 1.0 /g or less, and even more preferably 0.3 /g or more and 0.8 /g or less. This makes it possible to obtain better storage characteristics and charge/discharge characteristics at high temperatures when used as a positive electrode active material in lithium-ion secondary batteries.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムの二次粒子の平均粒子径が4.0μm以上20.0μm以下であることが好ましく、5.0μm以上15.0μm以下であることがより好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際に、スピネル型マンガン酸リチウム粒子内のリチウム拡散距離がより小さくなり、より優れた出力特性を得ることが可能になるとともに、正極合剤の充填性をより高くすることが可能となる。 In this embodiment, the average particle size of the secondary particles of the spinel-type lithium manganate is preferably 4.0 μm or more and 20.0 μm or less, and more preferably 5.0 μm or more and 15.0 μm or less. This allows for a smaller lithium diffusion distance within the spinel-type lithium manganate particles when used as a positive electrode active material in a lithium-ion secondary battery, resulting in superior output characteristics and improved packing efficiency of the positive electrode mixture.

ここで、「二次粒子」とはLMO粉末の一次粒子同士が凝集して焼結した粒子であり、「一次粒子」とは独立した結晶粒子である。本実施形態における二次粒子の平均粒子径は、粒度分布測定装置(例えば、MicrotracBEL製 MT3000II)によって測定されるD50である。二次粒子の平均粒子径はレーザー回折・散乱法によって測定される。 Here, "secondary particles" refer to particles formed when primary particles of LMO powder aggregate and sinter, while "primary particles" are independent crystalline particles. In this embodiment, the average particle size of the secondary particles is D 50 , measured by a particle size distribution analyzer (for example, MicrotracBEL MT3000II). The average particle size of the secondary particles is measured by laser diffraction/scattering.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムのSOの含有量は、0.8質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以下であることがより好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際の充放電容量をより大きくするとともに、高温においてより優れた保存特性及び充放電特性を得ることができる。SOの含有量は、0.01質量%以上または0.02質量%以上であることが例示できる。SOの含有量(質量%)は、スピネル型マンガン酸リチウムの質量に対する、スピネル型マンガン酸リチウムに含まれるS元素をSO換算した質量の割合(質量%)である。すなわち、SOの含有量は、ICP測定で求めたS元素の濃度(質量%)に、SO/S(原子量比)をかけてSO換算することで求めることができる。 In this embodiment, the SO₄ content of the spinel-type lithium manganate is preferably 0.8% by mass or less, and more preferably 0.5% by mass or less. This increases the charge-discharge capacity when used as a positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries, and also provides better storage and charge-discharge characteristics at high temperatures. The SO₄ content can be exemplified as 0.01% by mass or more, or 0.02% by mass or more. The SO₄ content (by mass%) is the ratio (by mass%) of the amount of sulfur (S) contained in the spinel-type lithium manganate, converted to SO₄ , relative to the mass of the spinel-type lithium manganate. That is, the SO₄ content can be determined by multiplying the concentration of sulfur (S) obtained by ICP measurement (by mass%) by SO₄ /S (atomic ratio) to convert it to SO₄ .

含有されるSOの状態としては限定されるものではなく、例えば硫酸イオン及びSO基を含む化合物の少なくともいずれかが挙げられ、具体的には、LiSO、NaSO等が例示できる。 The state of the contained SO₄ is not limited, and examples include at least one of sulfate ions and compounds containing an SO₄ group, specifically Li₂SO₄ , Na₂SO₄ , etc.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムのNaの含有量は、3000質量ppm以下であることが好ましく、1500質量ppm以下であることがより好ましく、1000質量ppm以下であることがさらに好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際の充放電容量をより大きくするとともに、高温においてより優れた保存特性及び充放電特性を得ることができる。Naの含有量は、10質量ppm以上または20質量ppm以上であることが例示できる。Naの含有量は、ICP測定によって求めることができる。 The sodium (Na) content of the spinel-type lithium manganate in this embodiment is preferably 3000 ppm by mass or less, more preferably 1500 ppm by mass or less, and even more preferably 1000 ppm by mass or less. This allows for a larger charge-discharge capacity when used as a positive electrode active material in lithium-ion secondary batteries, and enables superior storage and charge-discharge characteristics at high temperatures. Examples of sodium content include 10 ppm by mass or more, or 20 ppm by mass or more. The sodium content can be determined by ICP measurement.

含有されるNaの状態としては限定されるものではなく、例えばNa金属、Naを含む化合物及びNaイオンからなる群より選ばれる少なくとも1つが挙げられ、具体的には、NaSO等が例示できる。 The state of the contained Na is not limited, and examples include at least one selected from the group consisting of Na metal, Na-containing compounds, and Na ions. Specifically, Na₂SO₄ is one example.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムのホウ素の含有量は、1000質量ppm以下であることが好ましく、500質量ppm以下であることがより好ましく、300質量ppm以下であることがさらに好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際の充放電容量をより大きくするとともに、高温においてより優れた保存特性及び充放電特性を得ることができる。ホウ素の含有量は、0質量ppm以上であればよく、すなわち本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムに含まれていなくともよい。ホウ素の含有量は、ICP測定によって求めることができる。 The boron content of the spinel-type lithium manganate in this embodiment is preferably 1000 ppm by mass or less, more preferably 500 ppm by mass or less, and even more preferably 300 ppm by mass or less. This allows for a larger charge-discharge capacity when used as a positive electrode active material in lithium-ion secondary batteries, and enables superior storage and charge-discharge characteristics at high temperatures. The boron content does not need to be 0 ppm by mass or more; in other words, it does not need to be present in the spinel-type lithium manganate of this embodiment. The boron content can be determined by ICP measurement.

含有されるホウ素の状態としては限定されるものではなく、例えばホウ素金属、ホウ素を含む化合物及びホウ素イオンからなる群より選ばれる少なくとも1つが挙げられ、具体的には、B、Li等が例示できる。 The state of boron contained is not limited, and examples include at least one selected from the group consisting of boron metal, boron-containing compounds , and boron ions. Specifically, examples include B₂O₃ and Li₂B₄O .

次に、本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法について説明する。 Next, the method for producing spinel-type lithium manganate according to this embodiment will be described.

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムは、マンガン源、リチウム源、並びに、アルミニウム及びマグネシウムの少なくともいずれかを含む金属M源、を混合して混合物を得る混合工程と、該混合物を750℃以上970℃以下で焼成して焼成物を得る焼成工程と、該焼成物にリン化合物を含有させるリン化合物含有工程と、を有する製造方法によって製造することができる。 The spinel-type lithium manganate of this embodiment can be produced by a manufacturing method comprising: a mixing step of mixing a manganese source, a lithium source, and a metal M source containing at least one of aluminum and magnesium to obtain a mixture; a calcination step of calcining the mixture at 750°C to 970°C to obtain a calcined product; and a phosphorus compound-containing step of incorporating a phosphorus compound into the calcined product.

混合工程では、少なくともマンガン源、リチウム源、並びに、アルミニウム及びマグネシウムの少なくともいずれかを含む金属M源、を混合して混合物を得る。マンガン源、リチウム源、及び、金属M源が均一に混合されれば、混合方法は湿式混合又は乾式混合のいずれであってもよい。より均一な混合粉末が得られるため、混合方法は湿式混合であることが好ましい。 In the mixing step, a mixture is obtained by mixing at least a manganese source, a lithium source, and a metal M source containing at least one of aluminum and magnesium. The mixing method can be either wet or dry, as long as the manganese source, lithium source, and metal M source are uniformly mixed. Wet mixing is preferred because it yields a more uniform mixed powder.

マンガン源は特に限定されるものではなく、例えば、MnO、Mn、Mnのほか、酢酸マンガンのような有機酸塩が挙げられる。 The source of manganese is not particularly limited and includes, for example, MnO₂ , Mn₃O₄ , Mn₂O₃ , as well as organic salts such as manganese acetate.

リチウム源は特に限定されるものではなく、例えば、炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、ヨウ化リチウム、シュウ酸リチウムのようなリチウム塩が挙げられる。 The lithium source is not particularly limited; examples include lithium salts such as lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium chloride, lithium iodide, and lithium oxalate.

金属M源は、マグネシウム源及びアルミニウム源の少なくともいずれかを含む。 The metal M source includes at least one of a magnesium source and an aluminum source.

マグネシウム源としては、例えば、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウムの少なくともいずれかが挙げられる。 Examples of magnesium sources include at least one of magnesium hydroxide, magnesium oxide, or magnesium carbonate.

アルミニウム源としては、例えば、水酸化アルミニウム、オキシ水酸化アルミニウム、酸化アルミニウムの少なくともいずれかが挙げられる。 Examples of aluminum sources include at least one of aluminum hydroxide, aluminum oxyhydroxide, or aluminum oxide.

混合物は、必要に応じてバインダー、導電助剤、その他の添加物を含んでいてもよい。例えば、融剤としてホウ素化合物を混合することが好ましい。これにより、本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積を低下させることができる。ホウ素化合物は特に制限はなく、例えば、HBO、B、LiO・nB(n=1~5)等が挙げられる。 The mixture may optionally contain a binder, a conductive additive, and other additives. For example, it is preferable to mix in a boron compound as a flux. This can reduce the BET specific surface area of the spinel-type lithium manganate in this embodiment. The boron compound is not particularly limited and examples include H₃BO₃ , B₂O₃ , Li₂OnB₂O₃ ( n =1 to 5 ) , etc.

焼成工程は、混合工程で得られた混合物を焼成することにより、焼成物を得る工程である。焼成温度は、750℃以上970℃以下で行う。焼成温度が750℃未満であることで、スピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積が大きくなる。その結果、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際にマンガンの溶出が進行しやすく、保存特性及び充放電特性が低下しやすい。焼成温度が970℃を超えることで、スピネル型マンガン酸リチウムの酸素欠損が増加する。その結果、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用した際に保存特性及び充放電特性が低下しやすい。さらには、焼成温度は800℃以上950℃以下で行うことが好ましい。焼成時間は、製造コストを下げるため、3時間以上12時間以下であることが好ましい。 The firing process involves firing the mixture obtained in the mixing process to obtain a fired product. The firing temperature is between 750°C and 970°C. A firing temperature below 750°C increases the BET specific surface area of the spinel-type lithium manganate. As a result, when used as a positive electrode active material in lithium-ion secondary batteries, manganese leaching is more likely to occur, leading to a decrease in storage and charge/discharge characteristics. A firing temperature exceeding 970°C increases the oxygen deficiency of the spinel-type lithium manganate. As a result, when used as a positive electrode active material in lithium-ion secondary batteries, storage and charge/discharge characteristics tend to decrease. Furthermore, it is preferable to perform the firing at a temperature between 800°C and 950°C. The firing time is preferably between 3 and 12 hours to reduce manufacturing costs.

焼成雰囲気は特に限定されないが、例えば、大気中、又は、高濃度酸素雰囲気中(純粋酸素雰囲気中を含む)、すなわち、酸素含有量が18vol%以上100vol%以下の酸素雰囲気中で行うことが好ましい。 The firing atmosphere is not particularly limited, but it is preferable to perform the firing in air or a high-concentration oxygen atmosphere (including a pure oxygen atmosphere), i.e., in an oxygen atmosphere with an oxygen content of 18 vol% or more and 100 vol% or less.

リン化合物含有工程は、焼成工程で得られた焼成物にリン化合物を含有させる工程である。以下、本明細書においては、リン化合物含有工程はリン酸塩含有工程として記載する。焼成物へリン酸塩を含有させる方法としては特に限定されないが、例えば、リチウム化合物の溶液及びリン化合物の溶液を添加して混合した後、ろ過及び乾燥を行う、晶析法が挙げられる。 The phosphorus compound incorporation step is a step in which a phosphorus compound is incorporated into the calcined product obtained in the calcination step. Hereinafter, in this specification, the phosphorus compound incorporation step will be referred to as the phosphate incorporation step. The method for incorporating phosphate into the calcined product is not particularly limited, but for example, a crystallization method can be used, in which a solution of a lithium compound and a solution of a phosphorus compound are added and mixed, followed by filtration and drying.

リチウム化合物は水溶性であれば特に制限はなく、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、ヨウ化リチウム、シュウ酸リチウム等が挙げられる。 There are no particular restrictions on the lithium compound as long as it is water-soluble. Examples include lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium chloride, lithium iodide, and lithium oxalate.

リン化合物は水溶性であれば特に制限はなく、LiPO、LiPO等のリチウムのリン酸塩、NaPO、NaHPO、NaHPO等のナトリウムのリン酸塩、KPO、KHPO、KHPO等のカリウムのリン酸塩等、Mg(PO、MgHPO、Mg(HPO等のマグネシウムのリン酸塩、NHPO、(NHHPO等のアンモニウムのリン酸等が例示される。 There are no particular restrictions on phosphorus compounds as long as they are water-soluble. Examples include lithium phosphates such as Li₃PO₄ and LiPO₃ , sodium phosphates such as Na₃PO₄ , NaH₂PO₄ , and Na₂HPO₄ , potassium phosphates such as K₃PO₄ , KH₂PO₄ , and K₂HPO₄ , magnesium phosphates such as Mg₃ ( PO₄ ) , MgHPO₄ , and Mg( H₂PO₄ ) , and ammonium phosphoric acid such as NH₄H₂PO₄ and ( NH₄ ) ₂HPO₄ .

スピネル型マンガン酸リチウムにリチウム化合物の溶液及びリン酸化合物の溶液を添加する方法は、スピネル型マンガン酸リチウムにリチウム化合物の溶液を添加した後にリン酸化合物の溶液を添加する方法、スピネル型マンガン酸リチウムのスラリーを調製した後にリチウム化合物の溶液とリン酸化合物の溶液を同時に添加する方法等が例示される。スピネル型マンガン酸リチウムにリチウム化合物の溶液及びリン酸化合物の溶液を添加する際には、スピネル型マンガン酸リチウムからリチウムが脱離することを抑制するため、溶液のpHを7以上とすることが好ましい。 Methods for adding solutions of lithium compounds and phosphate compounds to spinel-type lithium manganese include adding the lithium compound solution to the spinel-type lithium manganese and then adding the phosphate compound solution, and simultaneously adding the lithium compound solution and phosphate compound solution after preparing a slurry of spinel-type lithium manganese. When adding the lithium compound solution and phosphate compound solution to spinel-type lithium manganese, it is preferable to maintain a pH of 7 or higher in the solution to suppress the detachment of lithium from the spinel-type lithium manganese.

リチウム化合物及びリン酸化合物を加える溶液は、例えば、純水、水等が挙げられる。 Examples of solutions to which lithium compounds and phosphate compounds are added include pure water and water.

スピネル型マンガン酸リチウムは、焼成時に二次粒子同士が固結し易いため、目的の粒子径を得るために解砕を行うことが好ましい。解砕方法は、微粉生成をより抑制するため、せん断力による解砕が好ましい。 Since spinel-type lithium manganate tends to solidify during calcination, it is preferable to crush it to obtain the desired particle size. For crushing, shearing force is preferred to further suppress the generation of fine powder.

スピネル型マンガン酸リチウムは、正極の厚みを超える粗大粒子を除去するため、篩を通過させることが好ましい。篩の目開きは200μm以下であることが好ましく、150μm以下であることがより好ましい。 It is preferable to pass the spinel-type lithium manganese oxide through a sieve to remove coarse particles exceeding the thickness of the positive electrode. The sieve opening is preferably 200 μm or less, and more preferably 150 μm or less.

本実施形態のリン酸塩を含有したスピネル型マンガン酸リチウムをリチウムイオン二次電池の正極に使用することで、従来では得ることができなかった、高温における保存特性及び充放電特性に優れるリチウムイオン二次電池を構成することが可能になる。 By using the phosphate-containing spinel-type lithium manganese oxide of this embodiment as the positive electrode of a lithium-ion secondary battery, it becomes possible to construct a lithium-ion secondary battery with superior storage characteristics and charge/discharge characteristics at high temperatures, which were not achievable with conventional methods.

正極以外のリチウムイオン二次電池の構成としては、特に制限はないが、負極にはLiを吸蔵放出する材料、例えば、炭素系材料、酸化錫系材料、LiTi12、SiO、Liと合金を形成する材料等が挙げられる。Liと合金を形成する材料としては、例えば、シリコン系材料やアルミニウム系材料等が挙げられる。電解質には、例えば、有機溶媒にLi塩や各種添加剤を溶解した有機電解液や、Liイオン伝導性の固体電解質、これらを組み合わせたもの等が挙げられる。 There are no particular restrictions on the composition of lithium-ion secondary batteries other than the positive electrode, but the negative electrode can be made of a material that intercepts and deintercepts Li, such as carbon-based materials, tin oxide-based materials, Li₄Ti₅O₁₂ , SiO₂ , or materials that form alloys with Li. Examples of materials that form alloys with Li include silicon-based materials and aluminum-based materials. Examples of electrolytes include organic electrolytes obtained by dissolving Li salts and various additives in an organic solvent, solid electrolytes that conduct Li ions, or combinations thereof.

次に、本開示を具体的な実施例で説明するが、本開示はこれらの実施例に限定して解釈されるものではない。 Next, the present disclosure will be described with specific embodiments, but the present disclosure is not intended to be limited to these embodiments.

<組成分析>
実施例および比較例で得られたスピネル型マンガン酸リチウムの組成、リン酸塩含有量、SO含有量、Na含有量、ホウ素含有量は、スピネル型マンガン酸リチウムを硫酸-過酸化水素混合水溶液もしくは塩酸-過酸化水素混合水溶液に溶解した後、誘電結合プラズマ発光分析装置(商品名:ICP-AES、パーキンエルマージャパン製)で分析した。
<Composition analysis>
The composition, phosphate content, SO₄ content, Na content, and boron content of the spinel-type lithium manganate obtained in the examples and comparative examples were analyzed using a dielectric-coupled plasma atomic emission spectrometer (product name: ICP-AES, manufactured by PerkinElmer Japan) after dissolving the spinel-type lithium manganate in a sulfuric acid-hydrogen peroxide mixed aqueous solution or a hydrochloric acid-hydrogen peroxide mixed aqueous solution.

<XRDによる結晶相の同定>
実施例および比較例で得られたスピネル型マンガン酸リチウムの結晶相の同定は、粉末XRD測定(商品名:Ultima IV、Rigaku製)により行った。測定条件は、以下の通りとした。
<Identification of crystalline phases by XRD>
The crystalline phases of spinel-type lithium manganate obtained in the examples and comparative examples were identified by powder XRD measurement (product name: Ultima IV, manufactured by Rigaku). The measurement conditions were as follows.

・ターゲット:Cu
・出力:1.6kW(40mA-40kV)
・フィルター:Kβフィルター
・発散スリット:1°
・発散縦制限スリット:10mm
・散乱スリット:解放
・受光スリット;解放
・走査モード:連続
・スキャンスピード:4.000°/分
・サンプリング幅:0.04°(2θ/θ)
・積算回数:1回
・測定範囲:10-90°(2θ/θ)
<リン酸塩及びスピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積の測定>
実施例および比較例で得られたスピネル型マンガン酸リチウム1.5gをBET比表面積測定用のガラス製セルに入れ、窒素気流下で150℃、30分間脱水処理を行い、粉体粒子に付着した水分の除去を行った。処理後の試料を、BET測定装置(商品名:MICROMERITICS DeSorbIII、島津製作所製)で、吸着ガスとして、窒素30%-ヘリウム70%の混合ガスを用いて、1点法でBET比表面積を測定した。
Target: Cu
Output: 1.6 kW (40 mA - 40 kV)
• Filter: Kβ filter • Divergence slit: 1°
- Divergence vertical limiting slit: 10 mm
• Scattering slit: Open • Receiving slit: Open • Scanning mode: Continuous • Scanning speed: 4,000°/min • Sampling width: 0.04° (2θ/θ)
• Number of cumulative measurements: 1 • Measurement range: 10-90° (2θ/θ)
<Measurement of BET specific surface area of phosphates and spinel-type lithium manganate>
1.5 g of spinel-type lithium manganate obtained in the examples and comparative examples was placed in a glass cell for BET specific surface area measurement and dehydrated under a nitrogen stream at 150°C for 30 minutes to remove moisture adhering to the powder particles. The BET specific surface area of the treated sample was measured using a single-point method with a BET measuring device (product name: MICROMERITICS DeSorbIII, manufactured by Shimadzu Corporation) using a mixed gas of 30% nitrogen and 70% helium as the adsorption gas.

また、リン酸塩を含有していない、すなわち、焼成工程後、リン酸塩含有工程直前のスピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積を予め測定しておき、以下の式に基づきリン酸塩(LiPO)のBET比表面積を算出した。 Furthermore, the BET specific surface area of spinel-type lithium manganate, which does not contain phosphate, i.e., after the calcination process and immediately before the phosphate-containing process, was measured in advance, and the BET specific surface area of the phosphate ( Li3PO4 ) was calculated based on the following formula.

LiPOのBET比表面積[m/g]=((LiPO含有スピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積[m/g])-(LiPOを含有していないスピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積[m/g]))/(LiPO含有量(質量%)/100)
<断面TEM-EDXの測定>
電界放射型透過電子顕微鏡(商品名:JEM-2100F、日本電子製)及びエネルギー分散型X線分光器(商品名:JED-2300T、日本電子製)を使用して、スピネル型マンガン酸リチウム粒子の断面TEM-EDX測定を行った。測定に先立ち、試料をビームカッターにて切断した。
The BET specific surface area of Li₃PO₄ [ /g] = ((BET specific surface area of Li₃PO₄ - containing spinel-type lithium manganate [ /g]) - (BET specific surface area of Li₃PO₄ -free spinel-type lithium manganate [ /g])) / ( Li₃PO₄ content (mass%) / 100 )
<Measurement of cross-sectional TEM-EDX>
Cross-sectional TEM-EDX measurements were performed on spinel-type lithium manganate particles using a field emission transmission electron microscope (product name: JEM-2100F, manufactured by JEOL) and an energy-dispersive X-ray spectrometer (product name: JED-2300T, manufactured by JEOL). Prior to the measurements, the samples were cut using a beam cutter.

<二次粒子径の測定>
粒度分布測定装置(商品名:MT3000IIシリーズ、MicrotracBEL製)を使用して、スピネル型マンガン酸リチウムの二次粒子の平均粒子径(D50)を測定した。
<Measurement of secondary particle size>
The average particle size ( D50 ) of secondary particles of spinel-type lithium manganate was measured using a particle size distribution analyzer (product name: MT3000II series, manufactured by MicrotracBEL).

<電池性能評価>
正極は、実施例、比較例で得られたスピネル型マンガン酸リチウム4.7gとアセチレンブラック(商品名:デンカブラックLi-400、デンカ製)0.15gと10質量%ポリフッ化ビニリデン/N-メチル-2-ピロリドン溶液1.434mL(ポリフッ化ビニリデン0.15g)(重量比でスピネル型マンガン酸リチウム:アセチレンブラック:ポリフッ化ビニリデン=94:3:3)とN-メチル-2-ピロリドン1.23mLを自転公転ミキサー(商品名:AR-310、シンキー製)で混合して正極合剤スラリーを作製し、得られた正極合剤スラリーをアルミニウム箔に塗布し、120℃で10分乾燥後、縦60mm、横30mmの長方形に打ち抜き、ロールプレスを行った。塗布した正極合剤を縦50mm、横30mmとなるようにN-メチル-2-ピロリドンを用いてアルミニウム箔から剥がし、剥がした部分にアルミ製タブを溶接して150℃で5時間真空乾燥した後、使用した。塗布量はスピネル型マンガン酸リチウム量が15mg/cmとなるようにした。正極合剤密度は2.4g/cmとした。
<Battery Performance Evaluation>
For the positive electrode, 4.7 g of spinel-type lithium manganate obtained in the examples and comparative examples, 0.15 g of acetylene black (product name: Denka Black Li-400, manufactured by Denka), 1.434 mL of 10% by mass polyvinylidene fluoride/N-methyl-2-pyrrolidone solution (0.15 g of polyvinylidene fluoride) (weight ratio: lithium spinel-type lithium manganate: acetylene black: polyvinylidene fluoride = 94:3:3), and 1.23 mL of N-methyl-2-pyrrolidone were mixed in a rotation-orbit mixer (product name: AR-310, manufactured by Thinky) to prepare a positive electrode slurry. The obtained positive electrode slurry was applied to aluminum foil, dried at 120°C for 10 minutes, punched out into a rectangle measuring 60 mm in length and 30 mm in width, and roll-pressed. The coated positive electrode mixture was peeled from the aluminum foil using N-methyl-2-pyrrolidone to a size of 50 mm vertically and 30 mm horizontally. An aluminum tab was welded to the peeled portion, and the mixture was vacuum-dried at 150°C for 5 hours before use. The coating amount was set so that the amount of spinel-type lithium manganate was 15 mg/ cm² . The density of the positive electrode mixture was 2.4 g/ cm³ .

負極は、人造黒鉛4.0gと10質量%ポリフッ化ビニリデン/N-メチル-2-ピロリドン溶液2.008mL(ポリフッ化ビニリデン0.210g)(重量比で黒鉛:ポリフッ化ビニリデン=95:5)とN-メチル-2-ピロリドン3.160mLを自転公転ミキサー(商品名:AR-310、シンキー製)で混合して負極合剤スラリーを作製し、得られた負極材スラリーを銅箔に塗布し、120℃で10分乾燥後、縦62mm、横32mmの長方形に打ち抜き、ロールプレスを行った。塗布した負極合剤を縦52mm、横32mmとなるようにN-メチル-2-ピロリドンを用いて銅箔から剥がし、剥がした部分にニッケル製タブを溶接して150℃で5時間真空乾燥した後、使用した。塗布量は、人造黒鉛が5.5mg/cmとなるようにした。負極合剤密度は1.3g/cmとした。 For the negative electrode, 4.0 g of artificial graphite, 2.008 mL of a 10% polyvinylidene fluoride/N-methyl-2-pyrrolidone solution (0.210 g of polyvinylidene fluoride) (weight ratio of graphite:polyvinylidene fluoride = 95:5), and 3.160 mL of N-methyl-2-pyrrolidone were mixed in a rotation-orbit mixer (product name: AR-310, manufactured by Sinky) to prepare a negative electrode slurry. The obtained negative electrode slurry was applied to copper foil, dried at 120°C for 10 minutes, punched out into a rectangle measuring 62 mm in length and 32 mm in width, and roll-pressed. The applied negative electrode slurry was peeled from the copper foil using N-methyl-2-pyrrolidone to a size of 52 mm in length and 32 mm in width, nickel tabs were welded to the peeled portion, and vacuum-dried at 150°C for 5 hours before use. The coating amount was set to 5.5 mg/ cm² of artificial graphite. The density of the negative electrode mixture was set to 1.3 g/ cm³ .

上記の正極及び負極と、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒(体積比1:2)にLiPFを1mol/dm溶解した電解液0.24mLと、縦65mm、横35mmの長方形に打ち抜いたセパレータ(商品名:セラミックコーティング湿式セパレータ―SH716E14、Shenzhen Senior Technology Material製)を用いてラミネートセルを作製した。電池評価の際には、ラミネートセルを2枚のアクリル板で挟み、アクリル板を貫通する4本のネジを用いて1N/mのトルク圧で締め付けを行った。 A laminate cell was fabricated using the above-mentioned positive and negative electrodes, 0.24 mL of an electrolyte solution prepared by dissolving 1 mol/ dm³ of LiPF6 in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (volume ratio 1:2), and a separator punched out in a rectangle measuring 65 mm vertically and 35 mm horizontally (product name: ceramic coated wet separator SH716E14, manufactured by Shenzhen Senior Technology Material). For battery evaluation, the laminate cell was sandwiched between two acrylic plates and tightened with a torque pressure of 1 N/m using four screws that penetrated the acrylic plates.

また、上記正極を15.96mmφに打ち抜き、16mmφに打ち抜いたLi金属を負極として、セパレータ(商品名:セルガード、ポリポア製)を用いてCR2032型コインセルを作製した。 Furthermore, a CR2032 type coin cell was fabricated using a separator (product name: Cellguard, manufactured by Polypore) with the above-mentioned positive electrode punched out to 15.96 mm in diameter and the Li metal punched out to 16 mm in diameter as the negative electrode.

作製したCR2032型コインセルを用いて、24℃において、セル電圧4.3Vと3.0Vの間で電流0.6mAで定電流充電-定電流放電を1サイクル行い、充電容量を初期容量とした。 Using the fabricated CR2032 coin cell, a constant current charge-discharge cycle was performed at 24°C with a cell voltage of 4.3V and 3.0V at a current of 0.6mA, and the charged capacity was used as the initial capacity.

次に、作製したラミネートセルを用いてエージングを行った。エージングは、24℃において、初期容量の10%まで定電流で充電して9時間休止し、次に初期容量の60%まで定電流で充電して24時間休止し、次にセル電圧4.2Vまで定電流定電圧充電を行った後、3.0Vまで定電流で放電した。充電時及び放電時の電流は初期容量に対して時間率0.1Cとし、定電圧充電の終了条件は、充電電流が時間率0.005Cまで減衰した時点とした。 Next, aging was performed using the fabricated laminated cells. The aging process involved charging the cells at 24°C with a constant current until they reached 10% of their initial capacity, followed by a 9-hour pause. Then, they were charged again with a constant current until they reached 60% of their initial capacity, followed by a 24-hour pause. Finally, they were charged with a constant current and voltage until the cell voltage reached 4.2V, and then discharged with a constant current until it reached 3.0V. The charging and discharging currents were set at a rate of 0.1C relative to the initial capacity, and the termination condition for constant voltage charging was when the charging current decreased to a rate of 0.005C.

エージング終了後、セル容量確認を行った。セル容量確認は、24℃において、セル電圧が4.2Vと3.0Vの間で、定電流定電圧充電-定電流放電を1サイクル行い、放電容量をセル容量とした。充電時及び放電時の電流は初期容量に対して時間率0.2Cとし、定電圧充電の終了条件は、充電電流が時間率0.01Cまで減衰した時点とした。 After the aging process was complete, cell capacity was checked. The cell capacity was checked at 24°C, with the cell voltage between 4.2V and 3.0V. A constant current/constant voltage charging-constant current discharge cycle was performed, and the discharge capacity was defined as the cell capacity. The charging and discharging currents were set at a rate of 0.2C relative to the initial capacity. The termination condition for constant voltage charging was when the charging current decreased to a rate of 0.01C.

セル容量確認後、保存試験及び充放電サイクル試験を行った。 After confirming the cell capacity, storage tests and charge-discharge cycle tests were performed.

保存試験は、作製したラミネートセルを24℃において4.2Vまで充電後、60℃で7日間保存した。次いで、セル電圧3.0Vまで放電した後、4.2Vと3.0Vの間で定電流定電圧充電-定電流放電を1サイクル行い、放電容量を回復容量とし、セル容量に対する回復容量の割合を保存容量回復率とした。なお、充電時及び放電時の電流はセル容量に対して時間率0.2Cとし、定電圧充電の終了条件は、充電電流が時間率0.01Cまで減衰した時点とした。 The storage test involved charging the fabricated laminate cells to 4.2V at 24°C, then storing them at 60°C for 7 days. Next, the cells were discharged to 3.0V, followed by one cycle of constant-current/constant-voltage charging and discharging between 4.2V and 3.0V. The discharge capacity was defined as the recovery capacity, and the ratio of the recovery capacity to the cell capacity was defined as the storage capacity recovery rate. The charging and discharging currents were set at a time rate of 0.2C relative to the cell capacity, and the termination condition for constant-voltage charging was when the charging current decreased to a time rate of 0.01C.

充放電サイクル試験は、作製したラミネートセルについて45℃においてセル電圧4.2Vと3.0Vの間で定電流定電圧充電-定電流放電を50サイクル行い、1サイクル目の容量に対する50サイクル目の容量の割合を充放電サイクル維持率とした。なお、充電時及び放電時の電流はセル容量に対して時間率0.5Cとし、定電圧充電の終了条件は、充電電流が時間率0.025Cまで減衰した時点とした。 The charge-discharge cycle test involved performing 50 cycles of constant-current/constant-voltage charging and constant-current discharging on the fabricated laminate cells at 45°C with cell voltages of 4.2V and 3.0V. The charge-discharge cycle retention rate was defined as the ratio of the capacity at cycle 50 to the capacity at cycle 1. The charging and discharging currents were set at a rate of 0.5C relative to the cell capacity, and the termination condition for constant-voltage charging was defined as the point when the charging current decreased to a rate of 0.025C.

実施例1
平均粒子径12.0μmの電解二酸化マンガン80.00gと、平均粒子径3μmのLiCO18.80gと、Mg(OH)(和光純薬工業製、平均粒子径0.07μm)1.56gと、HBO(キシダ化学製)をめのう乳鉢で粉砕したもの0.24gを乳鉢で混合して混合物を得た。この混合物を箱型炉にて空気を5L/minの速度で流通させながら930℃で6時間焼成を行った後、600℃で24時間熱処理を行い、室温まで冷却して、スピネル型マンガン酸リチウムを得た。930℃までの昇温速度は100℃/hrとし、降温速度は930℃から600℃までは20℃/hr、600℃から室温までは100℃/hrとした。得られたスピネル型マンガン酸リチウムを、強力小型粉砕機(商品名:ロータリークラッシャー、大阪ケミカル製)で解砕した。
Example 1
A mixture was obtained by mixing 80.00 g of electrolytic manganese dioxide with an average particle size of 12.0 μm, 18.80 g of Li₂CO₃ with an average particle size of 3 μm, 1.56 g of Mg(OH) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, average particle size of 0.07 μm), and 0.24 g of H₃BO₃ (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.), which had been ground in an agate mortar, in a mortar. This mixture was calcined in a box-type furnace at 930°C for 6 hours while circulating air at a rate of 5 L/min, then heat-treated at 600°C for 24 hours, and cooled to room temperature to obtain spinel-type lithium manganate. The heating rate to 930°C was 100°C/hr, the cooling rate from 930°C to 600°C was 20°C/hr, and from 600°C to room temperature was 100°C/hr. The obtained spinel-type lithium manganate was crushed using a powerful, compact crusher (product name: Rotary Crusher, manufactured by Osaka Chemical).

次に、得られたスピネル型マンガン酸リチウム72.0gに、72mLの純水と2.0mol/LのLiOH(キシダ化学製)水溶液18mLを添加し、室温下、600rpmで攪拌しながら26質量%のHPO(キシダ化学製)水溶液10mLを0.056mL/分の速度で添加した。その後、ろ過・乾燥を行い、目開き32μmの篩を通過させて粗大な粒子を取り除き、本実施例のスピネル型マンガン酸リチウムを得た。 Next, 72.0 g of the obtained spinel-type lithium manganate was mixed with 72 mL of pure water and 18 mL of a 2.0 mol/L LiOH (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) aqueous solution. At room temperature, while stirring at 600 rpm, 10 mL of a 26% by mass H₃PO₄ (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) aqueous solution was added at a rate of 0.056 mL/min. After that, the mixture was filtered and dried, and coarse particles were removed by passing it through a sieve with a mesh size of 32 μm to obtain the spinel-type lithium manganate of this example.

ICPの測定結果より、得られたスピネル型マンガン酸リチウムの組成は、化学量論組成Li1+XMn2-X-Yを取ると仮定して、Li1.08Mn1.86Mg0.06であった。リン酸塩含有量、リン酸塩のBET比表面積、スピネル型マンガン酸リチウム二次粒子の平均粒子径、SO含有量、Na含有量、ホウ素含有量の測定結果(以下、単に「測定結果」ともいう。)を表1に示し、電池性能評価結果を表2に示す。 Based on the ICP measurement results, the composition of the obtained spinel-type lithium manganate was assumed to be the stoichiometric composition Li 1 + X Mn 2-X-Y M Y O 4 , with Li 1.08 Mn 1.86 Mg 0.06 O 4. The measurement results for phosphate content, BET specific surface area of phosphate, average particle size of spinel-type lithium manganate secondary particles, SO 4 content, Na content, and boron content (hereinafter simply referred to as "measurement results") are shown in Table 1, and the battery performance evaluation results are shown in Table 2.

また、スピネル型マンガン酸リチウム粒子断面のTEM-EDX像を図1に示す。図1(A)はP元素のマッピング結果を、図1(B)はMn元素のマッピング結果を示す。リン酸塩(LiPO)がスピネル型マンガン酸リチウム粒子の表面に存在することが確認された。また、XRD測定により、スピネル型マンガン酸リチウムからは、JCPDSのNo.35-782(LiMn、ピーク位置:2θ=18.6°、30.7°、36.1°、37.8°、43.9°、48.1°、58.1°、63.8°、67.1°、75.6°、76.6°)とNo.25-1030(LiPO、ピーク位置:2θ=16.9°、22.4°、23.4°、25.0°、29.2°、33.9°)の2つのピークパターンが検出された。図2に実施例1のXRDピークパターンを示す。 Furthermore, TEM-EDX images of the cross-section of spinel-type lithium manganate particles are shown in Figure 1. Figure 1(A) shows the mapping results for element P, and Figure 1(B) shows the mapping results for element Mn. It was confirmed that phosphate ( Li3PO4 ) is present on the surface of the spinel-type lithium manganate particles. In addition, XRD measurements revealed that spinel-type lithium manganate was identified as JCPDS No. 35-782 ( LiMn2O4 , peak positions: = 18.6°, 30.7°, 36.1°, 37.8°, 43.9°, 48.1°, 58.1°, 63.8°, 67.1°, 75.6°, 76.6°) and No. Two peak patterns were detected: 25-1030 ( Li3PO4 , peak positions: 2θ = 16.9°, 22.4°, 23.4°, 25.0°, 29.2°, 33.9°). Figure 2 shows the XRD peak pattern of Example 1.

実施例2
LiOH水溶液の濃度を1.0mol/Lとしたことと、HPO水溶液の濃度を13質量%としたこと以外は実施例1と同様の方法でスピネル型マンガン酸リチウムを得た。
Example 2
Lithium spinel-type manganate was obtained in the same manner as in Example 1, except that the concentration of the LiOH aqueous solution was 1.0 mol/L and the concentration of the H₃PO₄ aqueous solution was 13% by mass.

得られたスピネル型マンガン酸リチウムの組成はLi1.08Mn1.86Mg0.06であった。測定結果を表1に示し、電池性能を表2に示す。また、XRD測定から、得られたスピネル型マンガン酸リチウムはJCPDSのNo.35-782(LiMn)とNo.25-1030(LiPO)の2つのピークパターンが検出された。 The composition of the obtained spinel-type lithium manganate was Li 1.08 Mn 1.86 Mg 0.06 O 4. The measurement results are shown in Table 1, and the battery performance is shown in Table 2. In addition, from the XRD measurement, two peak patterns were detected in the obtained spinel-type lithium manganate: JCPDS No. 35-782 (LiMn 2 O 4 ) and No. 25-1030 (Li 3 PO 4 ).

実施例3
LiOH水溶液の濃度を0.50mol/Lとしたことと、HPO水溶液の濃度を6.5質量%としたこと以外は実施例1と同様の方法でスピネル型マンガン酸リチウムを得た。
Example 3
Lithium spinel-type manganate was obtained in the same manner as in Example 1, except that the concentration of the LiOH aqueous solution was 0.50 mol/L and the concentration of the H₃PO₄ aqueous solution was 6.5% by mass.

得られたスピネル型マンガン酸リチウムの組成はLi1.08Mn1.86Mg0.06であった。測定結果を表1に示し、電池性能を表2に示す。また、XRD測定から、得られたスピネル型マンガン酸リチウムはJCPDSのNo.35-782(LiMn)とNo.25-1030(LiPO)の2つのピークパターンが検出された。 The composition of the obtained spinel-type lithium manganate was Li 1.08 Mn 1.86 Mg 0.06 O 4. The measurement results are shown in Table 1, and the battery performance is shown in Table 2. In addition, from the XRD measurement, two peak patterns were detected in the obtained spinel-type lithium manganate: JCPDS No. 35-782 (LiMn 2 O 4 ) and No. 25-1030 (Li 3 PO 4 ).

比較例1 平均粒子径4.0μmのMn75.00gと、平均粒子径3μmのLiCO21.48gと、Mg(OH)(和光純薬工業製、平均粒子径0.07μm)1.70gと、HBO(キシダ化学製)をめのう乳鉢で粉砕したもの0.60gを混合して混合物を得た。この混合物について箱型炉にて空気を5L/minの速度で流通させながら850℃で6時間焼成を行った後、600℃で24時間焼成を行い、室温まで冷却して、スピネル型マンガン酸リチウムを得た。室温から850℃までの昇温速度は100℃/hrとし、降温速度は850℃から600℃までは20℃/hr、600℃から室温までは100℃/hrとした。得られたスピネル型マンガン酸リチウムを、強力小型粉砕機(商品名:ロータリークラッシャー、大阪ケミカル製)で解砕した。 Comparative Example 1 A mixture was obtained by mixing 75.00 g of Mn₃O₄ with an average particle size of 4.0 μm, 21.48 g of Li₂CO₃ with an average particle size of 3 μm, 1.70 g of Mg(OH) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, average particle size of 0.07 μm), and 0.60 g of H₃BO₃ (manufactured by Kishida Chemical) that had been ground in an agate mortar. This mixture was calcined in a box furnace at 850°C for 6 hours while air was flowed at a rate of 5 L/min, then calcined at 600°C for 24 hours, and cooled to room temperature to obtain spinel-type lithium manganate. The heating rate from room temperature to 850°C was 100°C/hr, the cooling rate from 850°C to 600°C was 20°C/hr, and from 600°C to room temperature was 100°C/hr. The obtained spinel-type lithium manganate was crushed using a powerful, compact crusher (product name: Rotary Crusher, manufactured by Osaka Chemical).

次に、得られたスピネル型マンガン酸リチウムに対して、豊島製作所製粉末バレルスパッタリング装置を用いてLiPOの成膜を行った。ターゲットにはLiPO焼結体を用い、使用電源はRF、成膜時出力は2kW、成膜時間は8時間、使用ガスはAr100%とした。 Next, Li3PO4 was deposited onto the obtained spinel-type lithium manganate using a powder barrel sputtering apparatus manufactured by Toyoshima Seisakusho. A Li3PO4 sintered body was used as the target, the power supply was RF, the output during deposition was 2 kW, the deposition time was 8 hours, and the gas used was 100% Ar.

得られたスピネル型マンガン酸リチウムの組成はLi1.09Mn1.85Mg0.06であった。測定結果を表1に示し、電池性能を表2に示す。また、XRD測定から、得られたスピネル型マンガン酸リチウムはJCPDSのNo.35-782(LiMn)とNo.25-1030(LiPO)の2つのピークパターンが検出された。 The composition of the obtained spinel-type lithium manganate was Li 1.09, Mn 1.85 , Mg 0.06 , O 4. The measurement results are shown in Table 1, and the battery performance is shown in Table 2. In addition, from the XRD measurement, two peak patterns were detected in the obtained spinel-type lithium manganate: JCPDS No. 35-782 (LiMn 2 O 4 ) and No. 25-1030 (Li 3 PO 4 ).

比較例2
平均粒子径12μmの電解二酸化マンガン100.0gと平均粒子径3μmの炭酸リチウム23.7gと平均粒子径3μmの水酸化アルミニウム4.3gとリン酸三リチウム(和光純薬工業製)0.9gとHBO(和光純薬工業製)1.8gを純水98.2gに溶解して1.8質量%水溶液としたもの0.11gを混合して混合物を得た。この混合物について、箱型炉にて空気を5L/minの速度で流通させながら800℃で20時間焼成を行い、室温まで冷却して、スピネル型マンガン酸リチウムを得た。昇温速度、降温速度はいずれも100℃/hrとした。次に、強力小型粉砕機(商品名:ロータリークラッシャー、大阪ケミカル製)で解砕し、目開き32μmの篩を通過させてスピネル型マンガン酸リチウムを得た。
Comparative Example 2
A mixture was obtained by mixing 0.11 g of a 1.8% by mass aqueous solution prepared by dissolving 100.0 g of electrolytic manganese dioxide with an average particle size of 12 μm, 23.7 g of lithium carbonate with an average particle size of 3 μm, 4.3 g of aluminum hydroxide with an average particle size of 3 μm, 0.9 g of trilithium phosphate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries), and 1.8 g of H₃BO₃ (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) in 98.2 g of pure water. This mixture was calcined in a box-type furnace at 800°C for 20 hours while circulating air at a rate of 5 L/min, and then cooled to room temperature to obtain spinel-type lithium manganate. Both the heating rate and cooling rate were set to 100°C/hr. Next, the mixture was crushed using a powerful small-scale pulverizer (product name: rotary crusher, manufactured by Osaka Chemical Co., Ltd.) and passed through a sieve with a mesh size of 32 μm to obtain spinel-type lithium manganate.

得られたスピネル型マンガン酸リチウムの組成はLi1.07Mn1.84Al0.09であった。測定結果を表1に示し、電池性能を表2に示す。また、XRD測定から、得られたスピネル型マンガン酸リチウムはJCPDSのNo.35-782(LiMn)とNo.25-1030(LiPO)の2つのピークパターンが検出された。 The composition of the obtained spinel-type lithium manganate was Li 1.07 Mn 1.84 Al 0.09 O 4. The measurement results are shown in Table 1, and the battery performance is shown in Table 2. In addition, from the XRD measurement, two peak patterns were detected in the obtained spinel-type lithium manganate: JCPDS No. 35-782 (LiMn 2 O 4 ) and No. 25-1030 (Li 3 PO 4 ).

比較例3
スピネル型マンガン酸リチウムにLiOHとHPOを添加しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法でスピネル型マンガン酸リチウムを得た。
Comparative Example 3
Lithium spinel-type lithium manganate was obtained in the same manner as in Example 1, except that LiOH and H₃PO₄ were not added to the spinel-type lithium manganate.

得られたスピネル型マンガン酸リチウムの組成はLi1.08Mn1.86Mg0.06であった。測定結果を表1に示し、電池性能を表2に示す。また、XRD測定から、得られたスピネル型マンガン酸リチウムはJCPDSのNo.35-782(LiMn)単相であった。図3に比較例3のXRDピークパターンを示す。なお表1において、リン酸塩BET比表面積の欄は「-」で示しているが、リン酸塩(LiPO)を含有しないため測定していないことを表す。 The composition of the obtained spinel-type lithium manganate was Li 1.08 Mn 1.86 Mg 0.06 O 4. The measurement results are shown in Table 1, and the battery performance is shown in Table 2. Furthermore, from the XRD measurement, the obtained spinel-type lithium manganate was JCPDS No. 35-782 (LiMn 2 O 4 ) single phase. Figure 3 shows the XRD peak pattern of Comparative Example 3. In Table 1, the column for phosphate BET specific surface area is shown as "-", indicating that it was not measured because it did not contain phosphate (Li 3 PO 4 ).

本実施形態のスピネル型マンガン酸リチウムは、リン酸塩が特異的に大きいBET比表面積有するため、高温における電池性能、特に保存特性及び充放電特性に優れるリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用することができる。 The spinel-type lithium manganate of this embodiment has a uniquely large BET specific surface area due to its phosphate content, and therefore can be used as a positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries, exhibiting excellent battery performance at high temperatures, particularly in terms of storage characteristics and charge/discharge characteristics.

1…スピネル型マンガン酸リチウム
2…リン酸リチウム(LiPO
1. Spinel - type lithium manganate 2. Lithium phosphate ( Li₃PO₄ )

Claims (9)

リン酸塩であるリン化合物を含有し、なおかつ、前記リン化合物の含有量が0.1質量%以上10質量%以下である、化学式Li1+XMn2-X-Y(式中、0.02≦X≦0.20、0.05≦Y≦0.30であり、MはAlまたはMgである。)で表されるスピネル型マンガン酸リチウムであって、
下記式(1)で得られる前記リン化合物のBET比表面積が10m/g以上80m/g以下であるスピネル型マンガン酸リチウム。
リン化合物のBET比表面積[m /g]=(リン化合物含有スピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積[m /g]-リン化合物を含有していないスピネル型マンガン酸リチウムのBET比表面積[m /g])/(リン化合物含有量[質量%]/100) (1)
A spinel-type lithium manganate represented by the chemical formula Li 1+X Mn 2-X-Y M Y O 4 (wherein 0.02 ≤ X ≤ 0.20, 0.05 ≤ Y ≤ 0.30, and M is Al or Mg), which contains a phosphorus compound that is a phosphate salt, and the content of the phosphorus compound is 0.1% by mass or more and 10% by mass or less,
A spinel-type lithium manganate obtained by the following formula (1), wherein the BET specific surface area of the phosphorus compound is 10 /g or more and 80 /g or less.
The BET specific surface area of phosphorus compounds [m² / g] = (BET specific surface area of spinel-type lithium manganate containing phosphorus compounds [m² / g] - BET specific surface area of spinel-type lithium manganate not containing phosphorus compounds [m² / g]) / (Phosphorus compound content [mass%] / 100) (1)
BET比表面積が0.2m/g以上1.5m/g以下である請求項1記載のスピネル型マンガン酸リチウム。 The spinel-type lithium manganate according to claim 1, wherein the BET specific surface area is 0.2 /g or more and 1.5 /g or less. 二次粒子の平均粒子径が4.0μm以上20.0μm以下である請求項1又は2に記載のスピネル型マンガン酸リチウム。 The spinel-type lithium manganate according to claim 1 or 2 , wherein the average particle diameter of the secondary particles is 4.0 μm or more and 20.0 μm or less. SOの含有量が0.8質量%以下である請求項1乃至のいずれかの項に記載のスピネル型マンガン酸リチウム。 The spinel-type lithium manganate according to any one of claims 1 to 3 , wherein the SO₄ content is 0.8% by mass or less. Naの含有量が3000質量ppm以下である請求項1乃至のいずれかの項に記載のスピネル型マンガン酸リチウム。 The spinel-type lithium manganate according to any one of claims 1 to 4 , wherein the Na content is 3000 ppm by mass or less. マンガン源、リチウム源、並びに、アルミニウム及びマグネシウムの少なくともいずれかを含む金属源、を含む組成物を750℃以上970℃以下で焼成して焼成物を得る焼成工程と、該焼成物にリン化合物を含有させるリン化合物含有工程と、を有する、請求項1乃至のいずれかの項に記載のスピネル型マンガン酸リチウムの製造方法。 A method for producing spinel-type lithium manganate according to any one of claims 1 to 5, comprising: a firing step of firing a composition comprising a manganese source, a lithium source, and a metal source comprising at least one of aluminum and magnesium at 750°C to 970 °C to obtain a fired product; and a phosphorus compound-containing step of containing a phosphorus compound in the fired product. 請求項1乃至のいずれかの項に記載のスピネル型マンガン酸リチウムを含む正極活物質 A positive electrode active material comprising spinel-type lithium manganate according to any one of claims 1 to 5 . 請求項7に記載の正極活物質を含む電極。An electrode comprising the positive electrode active material according to claim 7. 請求項8に記載の電極を含むリチウムイオン二次電池。 A lithium-ion secondary battery comprising the electrode described in claim 8.
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