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JPH0766833B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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JPH0766833B2 - Lithium secondary battery - Google Patents

Lithium secondary battery

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Publication number
JPH0766833B2
JPH0766833B2 JP3054085A JP5408591A JPH0766833B2 JP H0766833 B2 JPH0766833 B2 JP H0766833B2 JP 3054085 A JP3054085 A JP 3054085A JP 5408591 A JP5408591 A JP 5408591A JP H0766833 B2 JPH0766833 B2 JP H0766833B2
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JP
Japan
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lithium
active material
limn
positive electrode
battery
Prior art date
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JP3054085A
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Japanese (ja)
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吉田  浩明
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Japan Storage Battery Co Ltd
Original Assignee
Japan Storage Battery Co Ltd
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Publication date
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、リチウムに対して4V
で作動するスピネル型LiMn2 4 を正極活物質とす
る二次電池(4V級リチウム二次電池)に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention is applicable to 4 V against lithium.
The present invention relates to a secondary battery (4V class lithium secondary battery) using spinel-type LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】電子機器の急激なる小形軽量
化に伴い、その電源である電池に対して小形で軽量かつ
高エネルギー密度で、更に繰り返し充放電が可能な二次
電池の開発への要求が高まっている。これら要求を満た
す二次電池として、リチウム二次電池が最も有望であ
る。なぜなら、リチウム二次電池は、負極であるリチウ
ムの電位が極めて卑であるため、電池の電圧が高く、か
つリチウムの体積,重量エネルギー密度が高いため、高
エネルギー密度の二次電池を提供できるという利点を有
しているからである。
2. Description of the Related Art With the rapid miniaturization and weight reduction of electronic equipment, the development of a secondary battery that is smaller, lighter in weight and high in energy density, and that can be repeatedly charged and discharged with respect to the power source battery The demand is increasing. A lithium secondary battery is the most promising as a secondary battery satisfying these requirements. This is because a lithium secondary battery has a high negative voltage because the potential of lithium, which is a negative electrode, is very low, and the volume and weight energy density of lithium are high, so that a high energy density secondary battery can be provided. This is because it has advantages.

【0003】リチウム二次電池の正極活物質は、研究の
結果より各種の材料が提案されいる。代表的なものとし
て、たとえばV2 5 ,スピネル型LiMn2 4 ,L
iCoO2 等が挙げられる。これらの中でも、資源的に
豊富でかつリチウムに対して約3Vという高い電位を有
するスピネル型LiMn2 4 が実用性のある活物質で
あるとして盛んに研究されてきた。
As a positive electrode active material for a lithium secondary battery, various materials have been proposed as a result of research. As typical ones, for example, V 2 O 5 , spinel type LiMn 2 O 4 , L
Examples thereof include iCoO 2 . Among these, spinel type LiMn 2 O 4 which is rich in resources and has a high potential of about 3 V with respect to lithium has been actively studied as a practical active material.

【0004】この活物質の電極反応は次式となり、作動
電位は約3V(Li/Li+ )である。
The electrode reaction of this active material is given by the following equation, and the working potential is about 3 V (Li / Li + ).

【0005】 放電反応: LiMn2 4 + Li+ + e- → Li2 Mn2 4 充電反応: Li2 Mn2 4 → LiMn2 4 + Li+ + e- ところが近年、スピネル型LiMn2 4 は、LiC
oO2 と同じく電気化学的にさらに酸化することで、リ
チウムに対して約4Vという極めて貴な電位有するとと
もに、リチウムの充放電に対して可逆であることが報告
さている(代表的な報告例として旭硝子工業技術奨励会
研究報告,53,107(1988) がある)。
Discharge reaction: LiMn 2 O 4 + Li + + e → Li 2 Mn 2 O 4 Charge reaction: Li 2 Mn 2 O 4 → LiMn 2 O 4 + Li + + e However, in recent years, spinel type LiMn 2 O 4 is LiC
It has been reported that it has a very noble potential of about 4 V with respect to lithium by being further electrochemically oxidized similarly to oO 2, and is reversible with respect to charge and discharge of lithium (as a typical report example). Asahi Glass Industrial Technology Promotion Association Research Report, 53, 107 (1988)).

【0006】この活物質の電極反応は次式となり、作動
電位は約4V(Li/Li+ ) である。
The electrode reaction of this active material is given by the following equation, and the working potential is about 4 V (Li / Li + ).

【0007】 充電反応 LiMn2 4 → 2MnO2 + Li+ + e- 放電反応 2MnO2 + Li+ + e- → LiMn2 4 この活物質は、従来の活物質と比較して高い電位を有
していることとともに資源的に豊富でかつ安価なマンガ
ン酸化物を原料としているため、リチウム二次電池の正
極活物質として最も有望であると思われる。
Charge reaction LiMn 2 O 4 → 2MnO 2 + Li + + e Discharge reaction 2MnO 2 + Li + + e → LiMn 2 O 4 This active material has a higher potential than conventional active materials. In addition to the above, since manganese oxide, which is abundant in resources and inexpensive, is used as a raw material, it seems to be most promising as a positive electrode active material for lithium secondary batteries.

【0008】スピネル型LiMn2 4 は、一般にマン
ガン酸化物とリチウム化合物とをLi/Mnモル比で1
/2になるよう混合した後、熱処理する事で製造できる
ことが知られている。しかし、使用するマンガン酸化物
やリチウム化合物によって、電池用活物質としての最適
熱処理条件が異なることが報告されている。たとえば、
マンガン酸化物として二酸化マンガン(MnO2 )、リチウ
ム化合物として炭酸リチウム (Li2 CO3 ) を用いる場合
は、最適熱処理温度は430℃〜520℃であると報告
されている(特開昭63-274059 号公報,特開平1-173574
号公報)。その従来報告に示された試験結果を図2に示
すが、この結果については、430℃未満では未反応の
Li2 CO3 が残り、一方520℃を越えると理由は不明で
あるが処理温度の上昇とともに一方的に容量が低下する
ことが実験で確かめられたとされている。
Spinel type LiMn 2 O 4 generally contains a manganese oxide and a lithium compound at a Li / Mn molar ratio of 1: 1.
It is known that it can be produced by heat treatment after mixing so as to be 1/2. However, it has been reported that the optimum heat treatment conditions as an active material for batteries differ depending on the manganese oxide or lithium compound used. For example,
When manganese dioxide (MnO 2 ) is used as the manganese oxide and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) is used as the lithium compound, the optimum heat treatment temperature is reported to be 430 ° C to 520 ° C (Japanese Patent Laid-Open No. 63-274059). Japanese Patent Laid-Open No. 1-173574
Issue). The test results shown in the conventional report are shown in FIG. 2. The results show that unreacted temperatures below 430 ° C.
It is said that it has been confirmed by experiments that Li 2 CO 3 remains, and on the other hand, when the temperature exceeds 520 ° C., the capacity decreases unilaterally as the processing temperature rises.

【0009】ところが、最近マンガン酸化物として二酸
化マンガンを用いるよりも低級酸化マンガン (Mn2
O3 ) を用いた方が好ましいという報告がある(特開平2
-170354)。ここでは、リチウム化合物として炭酸リチ
ウム (Li2 CO3 ) を用いた場合は、540℃〜950℃
が最適な熱処理温度成であると報告している。この理由
は、540℃未満にすると得られたリチウムマンガン酸
化物中にLi2 CO3 が残り、一方950℃を越えるとMn3
O4 が生成するためであるとしている。
However, recently, manganese oxide (Mn 2
There is a report that it is preferable to use O 3 ).
-170354). Here, when lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) is used as the lithium compound, 540 ° C. to 950 ° C.
Reports that the heat treatment temperature is optimal. The reason is that when the temperature is lower than 540 ° C, Li 2 CO 3 remains in the obtained lithium manganese oxide, whereas when the temperature exceeds 950 ° C, Mn 3 remains.
This is because O 4 is generated.

【0010】そこで、上記の報告に従い種々の条件でL
iMn2 4 を合成し、これら活物質を用いリチウム二
次電池を組み立て、4Vの作動領域で充放電サイクル試
験を行った。
Therefore, according to the above report, L under various conditions
iMn 2 O 4 was synthesized, a lithium secondary battery was assembled using these active materials, and a charge / discharge cycle test was performed in an operating region of 4V.

【0011】しかしながら意外にも、これら3Vの作動
領域で優れた特性を示すと従来報告されている活物質を
用いた二次電池は4Vの作動領域では充放電サイクルの
進行に伴い充放電容量の著しい劣化が生じることがわか
った。
Surprisingly, however, a secondary battery using an active material, which has been conventionally reported to exhibit excellent characteristics in the 3V operating region, has a charge / discharge capacity which increases as the charge / discharge cycle progresses in the 4V operating region. It was found that significant deterioration occurred.

【0012】前掲の報告(旭硝子工業技術奨励会研究報
告,53,107(1988) )においては、3Vの作動領域では立
方晶スピネル (LiMn2 O4 ) と正方晶 (Li2 Mn2 O4)
の間で結晶変化が起こっているのに対して、4Vの作動
領域では立方晶の結晶構造を保ったままリチウムの挿入
放出が起こっていると報告されている。
In the above-mentioned report (Research report of Asahi Glass Industrial Technology Promotion Association, 53,107 (1988)), cubic spinel (LiMn 2 O 4 ) and tetragonal (Li 2 Mn 2 O 4 ) in the operating region of 3V.
It is reported that intercalation and deintercalation of lithium occurs while maintaining the cubic crystal structure in the 4V operating region, while the crystal change occurs between the two.

【0013】これは、リチウムの吸蔵放出に対して3V
の作動領域と4Vの作動領域とでは、安定な結晶層が異
なることを示唆している。すなわち、3Vの作動領域で
優れた特性を示す活物質は、リチウムに対して4Vの作
動領域においては不安定であるために上記のようなサイ
クルの進行にともなう充放電容量の著しい劣化が生じた
ものと思われる。
This is 3 V against the occlusion and release of lithium.
It is suggested that the stable crystal layer is different between the operating region of 4V and the operating region of 4V. That is, since the active material exhibiting excellent characteristics in the operation range of 3 V is unstable in the operation range of 4 V with respect to lithium, the charge / discharge capacity significantly deteriorates as the cycle progresses. It seems to be.

【0014】本発明は、4Vの高電圧で、かつサイクル
特性に優れた安価なリチウム二次電池を提供することを
目的とする。
An object of the present invention is to provide an inexpensive lithium secondary battery having a high voltage of 4V and excellent cycle characteristics.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明によるリチウムに
対して4Vで作動するリチウム二次電池は、リチウムも
しくはリチウムイオンを吸蔵放出可能とする物資を負極
活物質とし、少なくともX線回折分析で検出しうる量の
三二酸化マンガンを含有したスピネル型LiMn
を正極活物質とすることを特徴とする。
To the lithium according to the invention
In contrast, a lithium secondary battery operating at 4V uses a material capable of inserting and extracting lithium or lithium ions as a negative electrode active material, and at least an amount that can be detected by X-ray diffraction analysis.
Spinel type LiMn 2 O 4 containing manganese trioxide
Is used as the positive electrode active material.

【0016】[0016]

【作用】上記目的を達成するために検討した結果、三二
酸化マンガン(Mn2 3 )を含有していることを特徴
とするスピネル型LiMn2 4 が、リチウムに対して
4Vの作動領域の充放電に対して安定であることが見出
された。
As a result of studies conducted to achieve the above object, spinel type LiMn 2 O 4 characterized by containing manganese trioxide (Mn 2 O 3 ) was found to have an operating range of 4 V with respect to lithium. It was found to be stable to charge and discharge.

【0017】この活物質はCuKα線を使用したX線回
折において、回折角32.9度に三二酸化マンガンの回
折ピークを有していることから同定することができる。
この活物質は、二酸化マンガン(MnO2 )に炭酸リチ
ウム(Li2 CO3 )とをLi/Mn原子比1/2の割
合で添加して、500℃以上750℃以下の温度で加熱
焼成することにより製造することができる。
This active material can be identified by having a diffraction peak of manganese trioxide at a diffraction angle of 32.9 degrees in X-ray diffraction using CuKα radiation.
This active material is obtained by adding lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) to manganese dioxide (MnO 2 ) in a ratio of Li / Mn atomic ratio of 1/2 and heating and firing at a temperature of 500 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. Can be manufactured by.

【0018】またこの方法で得られる活物質は、リチウ
ムに対して4Vの作動領域では100mAh/g以上の
放電容量と優れた容量保持特性を示すものの、3Vの作
動領域では従来の報告どおり放電容量が少さくサイクル
の進行にともなう放電容量の低下が著しいことがわかっ
た。
The active material obtained by this method exhibits a discharge capacity of 100 mAh / g or more and an excellent capacity retention characteristic in an operating region of 4 V against lithium, but has a discharge capacity of 3 V in the operating region as previously reported. It was found that the discharge capacity was remarkably reduced with the progress of the cycle.

【0019】本発明の正極活物質を備えた電池が、4V
の作動領域で長いサイクル寿命を有する理由は明かでは
ないが、以下のように考えられる。
A battery provided with the positive electrode active material of the present invention is 4 V
The reason for having a long cycle life in the operating region of is not clear, but it is considered as follows.

【0020】二酸化マンガン(MnO2 )に炭酸リチウ
ムを添加して、500℃以上750℃以下の温度で加熱
焼成することにより、三二酸化マンガン(Mn2 3
を含有したスピネル型LiMn2 4 を合成することが
できる。
Lithium carbonate is added to manganese dioxide (MnO 2 ) and the mixture is heated and baked at a temperature of 500 ° C. or higher and 750 ° C. or lower to give manganese dioxide (Mn 2 O 3 ).
It is possible to synthesize spinel type LiMn 2 O 4 containing.

【0021】従来、立方晶スピネル (LiMn2 O4 ) と正
方晶 (Li2 Mn2 O4 ) の間で結晶変化が起こる3Vの作
動領域では、スピネル型LiMn2 4 結晶中へのMn
2 3 の混入は、充放電容量とサイクル保持特性に悪影
響を与えると報告されている(特開平2-170354)。しか
し、立方晶の結晶構造を保ったままリチウムイオンの吸
蔵放出が起こる4Vの作動領域においては、結晶中に混
入した三二酸化マンガンがスピネル型LiMn2 4
晶を安定化するものと思われ、結果として本発明の正極
活物質を備えた電池が、4Vの作動領域で長いサイクル
寿命を示したものと思われる。
Conventionally, in a 3 V operating region where a crystal change occurs between cubic spinel (LiMn 2 O 4 ) and tetragonal crystal (Li 2 Mn 2 O 4 ), Mn in spinel type LiMn 2 O 4 crystals is
It has been reported that the mixture of 2 O 3 adversely affects the charge / discharge capacity and the cycle retention characteristics (Japanese Patent Laid-Open No. 2-170354). However, in the 4 V operating region where the absorption and desorption of lithium ions occur while maintaining the cubic crystal structure, manganese trioxide mixed in the crystal seems to stabilize the spinel type LiMn 2 O 4 crystal, As a result, it is considered that the battery provided with the positive electrode active material of the present invention exhibited a long cycle life in the operation region of 4V.

【0022】またこの活物質は、比表面積および孔容積
が大きい二酸化マンガンを出発原料としていること、お
よび熱処理温度が結晶サイズの成長が起こりにくい50
0℃〜750℃と比較的低温であることから、比表面積
および孔容積が大きくかつ結晶サイズが小さいという特
徴も有しているものと思われる。このような特徴を有す
る本発明の正極活物質は、4Vの作動領域においてリチ
ウムイオンの吸蔵・放出がスムーズに行われ、なおかつ
充放電を繰り返すことによる結晶構造の崩壊を抑制する
ことができる。その結果、充放電サイクルの進行にとも
なう容量劣化の少ない高寿命のリチウム二次電池を得る
ことができたものと思われる。
This active material uses manganese dioxide, which has a large specific surface area and a large pore volume, as a starting material, and the heat treatment temperature makes it difficult for the crystal size to grow.
Since it is a relatively low temperature of 0 ° C. to 750 ° C., it is considered that it also has the features of large specific surface area and pore volume and small crystal size. The positive electrode active material of the present invention having such characteristics can smoothly occlude and release lithium ions in a 4 V operating region, and can suppress the collapse of the crystal structure due to repeated charging and discharging. As a result, it is considered that a long-life lithium secondary battery with less capacity deterioration with the progress of charge / discharge cycles could be obtained.

【0023】上記二酸化マンガンとしては、γ型,β型
あるいはγ−β型の二酸化マンガン等を挙げることがで
き、ナトリウム,カリウムなどの不純物含有量が低いも
のが望ましい。
Examples of the manganese dioxide include γ-type, β-type or γ-β-type manganese dioxide, and those having a low content of impurities such as sodium and potassium are desirable.

【0024】[0024]

【実施例】以下に、好適な実施例を用いて本発明を説明
する。 [実施例1]二酸化マンガンと炭酸リチウムとをLi/
Mnモル比で1/2にて混合・粉砕した後、1トン/c
2 でφ20mm、高さ20mmのペレットに成型し
た。この、ペレットをそれぞれ空気中において500
℃,650℃および750℃で8時間加熱焼成した。こ
れら反応生成物はすべて、暗青色粉末でありX線回折パ
ターンを調べたところそれぞれ図3,図4および図5に
示す回折パターンとなり、ASTM No.35-782 のLi
Mn24 のデータと一致した。またすべての反応生成
物において、33°付近にMn2 3 (ASTM No.3
1-286)のピークが確認された。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to preferred examples. [Example 1] Manganese dioxide and lithium carbonate were used as Li /
After mixing and crushing at a Mn molar ratio of 1/2, 1 ton / c
It was molded into pellets having a diameter of 20 mm and a height of 20 mm at m 2 . Each of these pellets is placed in air for 500
It was fired at 8 ° C., 650 ° C. and 750 ° C. for 8 hours. All of these reaction products were dark blue powders, and their X-ray diffraction patterns were examined to obtain the diffraction patterns shown in FIGS. 3, 4 and 5, respectively, and the Li of ASTM No. 35-782 was obtained.
This is in agreement with the data of Mn 2 O 4 . Also, in all reaction products, Mn 2 O 3 (ASTM No. 3
1-286) peak was confirmed.

【0025】この本発明のLiMn2 4 、100重量
部に対してアセチレンブラック(導電助剤)を5重量
部、およびポリ4フッ化エチレン(結着材)を2重量部
添加してよく混練した後、120℃で4時間熱風乾燥し
て正極合剤を調整した。そして、その正極合剤を108mg
ずつ秤量して325 メッシュのSUS316製金網に包み込ん
で、2トン/cm2 で加圧成形して正極とした。正極の寸
法は、直径16.0mm厚み0.4mm 程度である。この正極を電
池に組み込むまえに再度、120℃で3時間真空乾燥処
理を行った。
To 100 parts by weight of LiMn 2 O 4 of the present invention, 5 parts by weight of acetylene black (conductive aid) and 2 parts by weight of polytetrafluoroethylene (binder) were added and kneaded well. After that, it was dried with hot air at 120 ° C. for 4 hours to prepare a positive electrode mixture. And 108 mg of the positive electrode mixture
Each was weighed and wrapped in a 325-mesh SUS316 wire mesh and pressure-molded at 2 ton / cm 2 to obtain a positive electrode. The size of the positive electrode is approximately 16.0 mm in diameter and 0.4 mm in thickness. Before incorporating this positive electrode into a battery, it was vacuum dried again at 120 ° C. for 3 hours.

【0026】負極には、リチウム金属を用いた。負極の
サイズは直径16mm、厚み0.4mm 程度で、理論容量は約2
30mAh である。
Lithium metal was used for the negative electrode. The size of the negative electrode is 16 mm in diameter and 0.4 mm in thickness, and the theoretical capacity is about 2
It is 30 mAh.

【0027】セパレータにはポリプロピレンのマイクロ
ポーラスセパレータ(商品名『セルガードK274』)及び
ポリプロピレンの不織布を重ねて用いて、外径20.0mm,
高さ2.0mm の電池を作成した。
[0027] A polypropylene microporous separator (trade name "Celguard K274") and a polypropylene non-woven fabric are used as a separator, and the outer diameter is 20.0 mm.
I made a battery with a height of 2.0 mm.

【0028】電解液には、エチレンカーボネイ(EC)と4
−メチル1,3−ジオキソラン (4-MeDOL)および1,3
−ジオキソラン(DOL) とをそれぞれ体積比5:3:2.
7で混合してなる有機溶媒に電解質として過塩素酸リチ
ウムを1モル/リットル溶解したものを用いた(LiClO4
(1M)/EC+4-MeDOL+DOL(5:3:2.7) 混合溶媒)。
The electrolyte used was ethylene carbonate (EC) and 4
-Methyl 1,3-dioxolane (4-MeDOL) and 1,3
-Dioxolane (DOL) and a volume ratio of 5: 3: 2.
Lithium perchlorate (1 mol / l) was dissolved as an electrolyte in the organic solvent mixed in (7) (LiClO 4
(1M) / EC + 4-MeDOL + DOL (5: 3: 2.7) mixed solvent).

【0029】図1は、電池の縦断面図である。この図に
おいて1は、耐有機電解液性のステンレス鋼板をプレス
によって打ち抜き加工した正極端子を兼ねるケース、2
は同種の材料を打ち抜き加工した負極端子を兼ねる封口
板であり、その内壁には負極活物質3が圧着されてい
る。5は有機電解液を含浸したポリプロピレンからなる
セパレーター、6は正極合剤であり正極端子を兼ねるケ
ース1の開口端部を内方へかしめ、ガスケット4を介し
て負極端子を兼ねる封口板2の内周を締め付けることに
より密閉封口している。
FIG. 1 is a vertical sectional view of a battery. In this figure, 1 is a case that also serves as a positive electrode terminal, which is formed by punching out a stainless steel sheet having organic electrolyte resistance by a press, and 2
Is a sealing plate that also functions as a negative electrode terminal made by stamping the same kind of material, and the negative electrode active material 3 is pressure-bonded to the inner wall thereof. Reference numeral 5 is a separator made of polypropylene impregnated with an organic electrolyte, 6 is a positive electrode mixture, and the opening end of the case 1 which also functions as a positive electrode terminal is caulked inward, and the inside of the sealing plate 2 which also functions as a negative electrode terminal via a gasket 4. It is hermetically sealed by tightening the circumference.

【0030】この本発明の正極活物質を用いた本電池を
それぞれ電池(A),(B)および(C)とする。 [比較例1]二酸化マンガンと炭酸リチウムとをLi/
Mnモル比で1/2にて混合・粉砕した後、1トン/c
2 でφ20mm、高さ20mmのペレットに成型し
た。
The present batteries using the positive electrode active material of the present invention are referred to as batteries (A), (B) and (C), respectively. [Comparative Example 1] Manganese dioxide and lithium carbonate were used as Li /
After mixing and crushing at a Mn molar ratio of 1/2, 1 ton / c
It was molded into pellets having a diameter of 20 mm and a height of 20 mm at m 2 .

【0031】この、ペレットをそれぞれ空気中において
450℃および850℃で8時間加熱焼成した。450
℃での反応生成物は、茶褐色粉末であり、X線回折パタ
ーンを調べたところ図6に示す回折パターンとなり、A
STM No.35-782 のLiMn2 4 のデータと一致し
た。一方、850℃での反応生成物は暗青色粉末であ
り、X線回折パターンを調べたところ図7に示す回折パ
ターンとなり、ASTMNo.35-782 のLiMn2 4
データと一致した。これら両者の活物質ともに、33°
付近のMn2 3 (ASTM No.31-286 )の存在を示
すピークは確認されなかった。
The pellets were respectively heated and calcined in air at 450 ° C. and 850 ° C. for 8 hours. 450
The reaction product at 0 ° C. was a brown powder, and the X-ray diffraction pattern was examined to obtain the diffraction pattern shown in FIG.
This is in agreement with the data of LiMn 2 O 4 of STM No. 35-782. On the other hand, the reaction product at 850 ° C. was a dark blue powder, and when the X-ray diffraction pattern was examined, the diffraction pattern was as shown in FIG. 7, which was in agreement with the data of LiMn 2 O 4 of ASTM No. 35-782. 33 ° for both active materials
No peak indicating the presence of Mn 2 O 3 (ASTM No. 31-286) in the vicinity was confirmed.

【0032】これらLiMn2 4 を、電池の正極活物
質として用いることを除いて他は、実施例1と同様の電
池を作成した。この正極活物質を用いた比較電池をそれ
ぞれ電池(ア)および(イ)とする。 [比較例2]三二酸化マンガン(Mn2 3 )と炭酸リ
チウムとをLi/Mnモル比で1/2にて混合・粉砕し
た後、1トン/cm2 でφ20mm、高さ20mmのペ
レットに成型した。
A battery similar to that of Example 1 was prepared except that these LiMn 2 O 4 were used as the positive electrode active material of the battery. Comparative batteries using this positive electrode active material are referred to as batteries (a) and (a), respectively. [Comparative Example 2] Manganese trioxide (Mn 2 O 3 ) and lithium carbonate were mixed and pulverized at a Li / Mn molar ratio of 1/2, and then pulverized into pellets having a diameter of 20 mm and a height of 20 mm at 1 ton / cm 2. Molded.

【0033】この、ペレットをそれぞれ空気中において
650℃および850℃で8時間加熱焼成した。これら
反応生成物は、暗青色粉末であり、X線回折パターンを
調べたところ図8および図9に示す回折パターンとな
り、ASTM No.35-782 のLiMn2 4 のデータと
一致した。これら両者の活物質ともに、33°付近のM
2 3 (ASTM No.31-286 )の存在を示すピーク
は確認されなかった。
The pellets were heated and calcined in air at 650 ° C. and 850 ° C. for 8 hours, respectively. These reaction products were dark blue powders, and their X-ray diffraction patterns were examined to give the diffraction patterns shown in FIGS. 8 and 9, which were in agreement with the data of LiMn 2 O 4 of ASTM No. 35-782. Both of these active materials have M around 33 °.
No peak indicating the presence of n 2 O 3 (ASTM No. 31-286) was confirmed.

【0034】このLiMn2 4 を、電池の正極活物質
として用いることを除いて他は、実施例1と同様の電池
を作成した。この正極活物質を用いた比較電池をそれぞ
れ電池(ウ)および(エ)とする。
A battery similar to that of Example 1 was prepared except that this LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material of the battery. Comparative batteries using this positive electrode active material are referred to as batteries (C) and (D), respectively.

【0035】上記各種電池について、4.3V〜3.5
Vの間で1.8mAの定電流で充放電を繰り返し、各サ
イクルにおける放電容量を測定した。その代表例とし
て、電池(B)の10サイクル目の充放電曲線を図10
に示す。
Regarding the above various batteries, 4.3V to 3.5
Charge and discharge were repeated at a constant current of 1.8 mA between V and the discharge capacity in each cycle was measured. As a typical example, FIG. 10 shows a charge / discharge curve at the 10th cycle of the battery (B).
Shown in.

【0036】マンガン酸化物として二酸化マンガンを用
いて合成した活物質を備えた本発明の電池(A),
(B)および(C)と、比較電池(ア),(イ),
(ウ)および(エ)の充放電サイクルの進行にともなう
放電容量変化を図11に示す。
A battery (A) of the present invention comprising an active material synthesized by using manganese dioxide as a manganese oxide,
(B) and (C) and comparative batteries (a), (a),
FIG. 11 shows the change in discharge capacity with the progress of the charge / discharge cycle of (C) and (D).

【0037】本発明の正極活物質を用いた本発明電池
(A),(B)および(C)は、比較電池(ア),
(イ),(ウ)および(エ)と比較してサイクルの進行
にともなう容量低下がほとんど見られない。
The batteries (A), (B) and (C) of the present invention using the positive electrode active material of the present invention are comparative batteries (A),
Compared to (a), (c) and (d), almost no decrease in capacity was observed with the progress of the cycle.

【0038】比較電池(ア)の放電容量の小さい原因と
して、この電池活物質のスピネル型LiMn2 4 結晶
の生成が不十分であることが考えられる。
It is considered that the reason why the discharge capacity of the comparative battery (a) is small is that the formation of spinel type LiMn 2 O 4 crystals of this battery active material is insufficient.

【0039】本発明の正極活物質を備えた電池が、優れ
たサイクル寿命を有する理由は明かではないが、以下の
ように考えられる。
The reason why the battery provided with the positive electrode active material of the present invention has an excellent cycle life is not clear, but it is considered as follows.

【0040】上記の試験で、優れたサイクル寿命を示し
た本発明電池(A),(B)および(C)の正極活物質
は、三二酸化マンガンを含有しているスピネル型LiM
2 4 である。4Vの作動領域において正極活物質で
は、立方晶の結晶構造を保ったままリチウムイオンの吸
蔵放出が起こる。この際、結晶中に含有された三二酸化
マンガンがスピネル型LiMn2 4 結晶の崩壊を防止
するしていると考えられ、その結果三二酸化マンガンを
含有していない活物質を有する比較電池(イ),(ウ)
および(エ)と比較して、本発明の正極活物質を備えた
電池が、サイクルの進行にともなう放電容量に低下が見
られなかったものと思われる。
The positive electrode active materials of the batteries (A), (B) and (C) of the present invention showing excellent cycle life in the above test are spinel type LiM containing manganese trioxide.
n 2 O 4 . In the 4 V operating region, the positive electrode active material occludes and releases lithium ions while maintaining the cubic crystal structure. At this time, it is considered that the manganese trioxide contained in the crystal prevents the collapse of the spinel type LiMn 2 O 4 crystal, and as a result, a comparative battery having an active material containing no manganese trioxide (a) ), (U)
It is considered that the battery provided with the positive electrode active material of the present invention did not show a decrease in discharge capacity with the progress of cycles, as compared with (d) and (d).

【0041】本発明の活物質は、比表面積および孔容積
が大きい二酸化マンガンを出発原料としていること、お
よび熱処理温度が結晶サイズの成長が起こりにくい50
0℃〜750℃と比較的低温であることから、比表面積
および孔容積が大きくかつ結晶サイズが小さいという特
徴も有していると思われる。このような特徴を有する本
発明の正極活物質は、4Vの作動領域においてリチウム
イオンの吸蔵・放出がスムーズがスムーズに行われ、な
おかつ充放電を繰り返すことによる結晶構造の崩壊を抑
制することができる。その結果、充放電サイクルの進行
にともなう容量劣化の少ない高寿命のリチウム二次電池
を得ることができたものと思われる。
The active material of the present invention uses manganese dioxide, which has a large specific surface area and a large pore volume, as a starting material, and the heat treatment temperature makes it difficult for the crystal size to grow.
Since it is a relatively low temperature of 0 ° C. to 750 ° C., it is considered that it also has characteristics that the specific surface area and the pore volume are large and the crystal size is small. In the positive electrode active material of the present invention having such characteristics, the lithium ions can be smoothly absorbed and desorbed in the operation region of 4 V, and the collapse of the crystal structure due to repeated charging and discharging can be suppressed. . As a result, it is considered that a long-life lithium secondary battery with less capacity deterioration with the progress of charge / discharge cycles could be obtained.

【0042】なお、上記実施例では負極活物質としてリ
チウムを用いたが、本発明の正極を使用するにあたり、
負極活物質は基本的に限定されるず、従来の有機電解液
二次電池ウムイオンを吸蔵放出可能な物質を用いること
ができる。
Although lithium was used as the negative electrode active material in the above examples, when using the positive electrode of the present invention,
The negative electrode active material is basically not limited, and a conventional material capable of inserting and extracting um ions of an organic electrolyte secondary battery can be used.

【0043】また、リチウムイオン伝導性物質である有
機溶媒や固体のイオン導電体も基本的に限定されず、従
来の有機電解液二次電池に用いられているものを用いる
ことができる。たとえば、有機溶媒としては非プロトン
溶媒であるエチレンカーボネイトなどの環状エステル類
およびテトラハイドロフラン,ジオキソランなどのエー
テル類があげられ、これら単独もしくは2種以上を混合
した溶媒を用いることが出来る。固体のイオン導電体と
しては、リチウムイオン導電性を有するものであれば用
いることが出来る。その代表的なものとして、ポリエチ
レンオキサイドなどがあげられる。
Further, the organic solvent which is a lithium ion conductive substance and the solid ionic conductor are not basically limited, and those used in the conventional organic electrolyte secondary battery can be used. Examples of the organic solvent include cyclic esters such as ethylene carbonate which is an aprotic solvent and ethers such as tetrahydrofuran and dioxolane. These can be used alone or in a mixture of two or more kinds. As the solid ionic conductor, any substance having lithium ion conductivity can be used. A typical example thereof is polyethylene oxide.

【0044】また、このような有機溶媒あるいは固体の
イオン導電体に溶解される支持電解質も基本的に限定さ
れるものではない。たとえば、 LiAsF6 , LiClO4 ,Li
BF4 , LiPF6 ,LiCF3 SO3 などの1種以上を用いること
ができる。
Also, the supporting electrolyte dissolved in such an organic solvent or solid ionic conductor is not basically limited. For example, LiAsF 6 , LiClO 4 , Li
One or more of BF 4 , LiP F6 and LiCF 3 SO 3 can be used.

【0045】なお、前記の実施例に係る電池はいずれも
ボタン形電池であるが、円筒形,角形またはペーパー形
電池に本発明を適用しても同様の効果が得られる。
Although the batteries according to the above-mentioned embodiments are all button type batteries, the same effect can be obtained by applying the present invention to cylindrical, prismatic or paper type batteries.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によればリチ
ウムイオンの吸蔵放出に対して可逆性の優れた4V級リ
チウム二次電池用LiMn2 4を正極活物質として用
いることができ、従来の電池に比較して優れたサイクル
寿命性能を有する高エネルギー密度の4V級リチウム二
次電池を提供することができる。
As described in detail above, according to the present invention, LiMn 2 O 4 for a 4V class lithium secondary battery, which is excellent in reversibility for occlusion and release of lithium ions, can be used as a positive electrode active material, It is possible to provide a high energy density 4V class lithium secondary battery having excellent cycle life performance as compared with a conventional battery.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】4V級リチウム二次電池の一例であるボタン電
池の内部構造を示した図。
FIG. 1 is a diagram showing an internal structure of a button battery which is an example of a 4V class lithium secondary battery.

【図2】従来報告例を示した図FIG. 2 is a diagram showing a conventional report example.

【図3】本実施例によるLiMn2 4 のX線回折パタ
ーンを示す線図。
FIG. 3 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of LiMn 2 O 4 according to this example.

【図4】本実施例によるLiMn2 4 のX線回折パタ
ーンを示す線図。
FIG. 4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of LiMn 2 O 4 according to this example.

【図5】本実施例によるLiMn2 4 のX線回折パタ
ーンを示す線図。
FIG. 5 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of LiMn 2 O 4 according to this example.

【図6】比較例によるLiMn2 4 のX線回折パター
ンを示す線図。
FIG. 6 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of LiMn 2 O 4 according to a comparative example.

【図7】比較例によるLiMn2 4 のX線回折パター
ンを示す線図。
FIG. 7 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of LiMn 2 O 4 according to a comparative example.

【図8】比較例によるLiMn2 4 のX線回折パター
ンを示す線図。
FIG. 8 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of LiMn 2 O 4 according to a comparative example.

【図9】比較例によるLiMn2 4 のX線回折パター
ンを示す線図。
FIG. 9 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of LiMn 2 O 4 according to a comparative example.

【図10】実施例で作成した電池の充放電曲線を示した
図。
FIG. 10 is a diagram showing charge / discharge curves of the batteries prepared in Examples.

【図11】本発明による電池と比較電池の充放電サイク
ルの進行にともなう放電容量変化を示した図である。
FIG. 11 is a graph showing a change in discharge capacity of a battery according to the present invention and a comparative battery as the charging / discharging cycle progresses.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電池ケース 2 封口板 3 リチウム 4 ガスケット 5 セパレーター 6 正極合剤 1 Battery Case 2 Sealing Plate 3 Lithium 4 Gasket 5 Separator 6 Positive Electrode Mixture

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 リチウムもしくはリチウムイオンを吸蔵
放出可能とする物資を負極活物質とし、少なくともX線
回折分析で検出しうる量の三二酸化マンガンを含有した
スピネル型LiMnを正極活物質とした、リチウ
ムに対して4Vで作動するリチウム二次電池。
1. A material capable of inserting and extracting lithium or lithium ions is used as a negative electrode active material, and at least X-rays are used.
The <br/> spinel LiMn 2 O 4 containing three manganese dioxide in an amount that can be detected by diffraction analysis was the positive electrode active material, lithium
Lithium secondary battery that operates at 4V with respect to battery.
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