JP3770834B2 - 電気化学的性能が向上したリチウムマンガンスピネル複合酸化物の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムまたはリチウムイオン2次電池の正極活物質として使用されるスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物に関する。特に室温以上の温度で寿命特性が向上したリチウムマンガン複合酸化物の製造方法及びこの製造方法で製造された酸化物を正極活物質として用いるリチウムまたはリチウムイオン2次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物は4V電位のリチウム2次電池において、他の活物質に比べて安全性と価格側面から長所を有しているので、最近多く研究されている活物質の中の一つである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物をリチウム2次電池の活物質として用いる場合、充放電サイクルが進められるに連れて容量の減少が進み、特に40℃以上の高温では容量の減少が激しく起こって、実際的な応用において多くの制約を受けている。このような容量減少の原因は様々な種類があるが、代表的にリチウムマンガン複合酸化物内でマンガン(Mn3+)が下記の反応式1のように不均一反応によりMn2+とMn4+の形態に分解され、その中でMn2+が電解質として溶出するためである。
【0004】
<反応式1>
2Mn3+→Mn4+Mn2+
【0005】
従って容量の減少を伴ってもスピネル化合物内に存在するMn3+の濃度を減らすことが研究の焦点になっていた。
【0006】
代表的な方法としては異種金属のドーピングによるスピネル構造の安定化、スピネル粒子表面に異種化合物のコーティングなどがある。しかし、このような方法は寿命特性を向上させることはできるが、スピネル化合物の容量がMn3+の濃度に比例するために結果的にスピネル化合物の初期容量減少を招く。
【0007】
米国特許第5,773,685号明細書にLi2CO3、Na2CO3、K2CO3などの化合物をリチウムマンガン複合酸化物にコーティングした結果、60℃において充電状態で熟成させても自己放電(self-discharge)が低いだけでなく、スピネル化合物の常温寿命特性も向上するとした。しかし、この方法は高温での寿命特性については言及しなかった。
【0008】
Mn2+の溶出を抑制するためにMgO、CaO、BaO、SiO2のような添加剤を使用してスピネル表面での酸化、還元反応を抑制する方法が知られている。スピネル粒子の表面に吸着されていたり電解質に不純物の形態で存在しながらMn2+の溶出を助長する水分を除去し、マンガンの溶出を抑制することである。しかし、このような方法は添加される酸化物が重量当りの体積が大きいためスピネルを利用して正極極板を製造する場合、体積当り活物質(スピネル)の量を減少させて結果的に正極電極の容量を減少させるようになる問題点がある。
【0009】
スピネル化合物の比表面積を減少させる方法が知られている。比表面積を減少させるためには粒子の大きさを増加させなければならないために合成工程で長時間の熱処理が要求され、また粒子が大きい場合に、スピネル内におけるリチウムの拡散距離が増加して、充放電過程で充放電率(C-rate)を減少させる問題点がある。
【0010】
スピネル粒子の表面に、リチウムに対するイオン伝導性がある非晶質相を、コーティングする方法が知られている。しかし、この方法は容量の減少を防止することができず、高温での寿命特性も向上することができなかった。
【0011】
したがって、本発明は電池の正極活物質として使用される時、向上した寿命特性を有するスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法及びこの製造方法で製造されるリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として使用するリチウムまたはリチウムイオン2次電池を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、
a)コア粉体として使用されるスピネルLi1+xMn2-x-yMyO4(ここで、0.01≦x≦0.1、0≦y≦0.5及びMはリチウムでもマンガンでもない他の金属原子)の挿入化合物(intercalation compound)を提供する段階;
b)リチウム化合物とマンガン化合物の混合物を提供する段階;
c)前記a)段階のスピネルLi1+xMn2-x-yMyO4の挿入化合物上に前記b)段階の混合物をコーティングする段階;及び
d)前記c)段階の被覆されたスピネル化合物をリチウムマンガン複合酸化物に焼成する段階
を含むスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法を提供する。
【0013】
また、本発明はスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物を活物質として使用する正極を含むリチウムまたはリチウムイオン2次電池において、前記正極活物質が
a)スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物を提供する段階;
b)リチウム化合物とマンガン化合物を混合する段階;
c)前記b)段階の混合物をa)段階のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物に被覆する段階;及び
d)前記c)段階の被覆されたリチウムマンガン複合酸化物を焼成する段階
を含む製造方法で製造されるスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物であるリチウムまたはリチウムイオン2次電池を提供する。
【0014】
【発明の実施の形態】
リチウムマンガン複合酸化物がリチウム、またはリチウムイオン2次電池の正極活物質として使用される時、製造される熱処理温度、組成、雰囲気等によって電池の容量及び寿命特性が大きく影響を受ける。またスピネルの容量はスピネル内に存在するMn3+の量に比例するが、寿命特性は反比例する特徴を有する。一般に室温以上の高温で優れた寿命特性を示すスピネル化合物は容量が90乃至110mAh/g程度の値を示す。本発明では寿命特性が優れているが容量が少ないスピネルリチウムマンガンスピネル化合物を他のリチウムマンガンスピネル粒子の表面に被覆させて電池の容量の減少を最少化しながらも寿命特性を優れているようにすることである。
【0015】
これらの効果はスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の粒子表面に均一に混合された新たな組成のリチウムとマンガン化合物の混合物を厚膜または薄膜形態で被覆した後、適切な熱処理条件で焼成することによって得られる。スピネル挿入化合物はリチウム化合物とマンガン化合物を400乃至900℃で1乃至30時間加熱処理することによって提供される。このような表面層のリチウムマンガンスピネル化合物は内部のスピネル化合物と同一な結晶学的構造を持つので、熱処理過程で構造的にも安定したスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物を得ることができる。表面層に形成されたスピネル化合物は組成が均一で欠陥のないスピネルが形成されるので被覆されたスピネル粉末の高温での寿命特性を向上させることができる。また室温以上の高温で寿命特性に優れたリチウムマンガンスピネル化合物を被覆するので異種物質のコーティングやドーピングで現れる容量減少の恐れもない。結果的に容量と寿命特性を全て向上させたリチウムマンガンスピネル化合物を得ることができる。
【0016】
前記スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の表面に、リチウム化合物とマンガン化合物の混合物を被覆する効果的な方法は、リチウム化合物とマンガン化合物が溶解された混合溶液をリチウムマンガンスピネル粉末上にスプレー−乾燥、カプセル化(encapsulation)などのようにスプレー乾燥する。粒子等の凝集(agglomeration)はスプレー後に予め乾燥することによって防止でき、機械的な力と熱エネルギーを同時に加える機械溶融混合器(mechanofusion mixer)を使用する方法を用いることができる。前記方法によって、機械的エネルギーにしたがう剪断応力(shear stress)は溶媒がないリチウム化合物とマンガン化合物の混合物である物質を被覆(coating)し、加熱エネルギーはコーティング物質の粘度を減少させてそれから被覆性(coating perfomance)を向上させる。
【0017】
本発明は前記被覆効率を向上させるために、主にリチウムマンガンスピネル粉末を流動させ、次にその上に前記溶液をスプレーし、乾燥する方法を使用する。
【0018】
スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物(Li1.03Mn1.97O4.02)の表面にリチウム化合物とマンガン化合物の混合物を被覆させるためにはリチウム化合物とマンガン化合物を均一に混合することが必要である。このような混合はリチウム化合物粉末とマンガン化合物粉末を水、アルコールなどのような水溶液または有機溶剤の溶媒に溶解または分散させて混合した後乾燥させるとより均一なリチウム化合物とマンガン化合物の混合物を製造することができる。この時の組成はLiとMnのモル比を0.5:1.0乃至2.0:1.0で混合することが好ましい。リチウム化合物はLiOH、LiOH・H2O、LiCH3COO、LiCHO2、LiCHO2・H2O、Li2CO3、LiNO3、及びこれらのうちの混合物からなる群より選択される。マンガン化合物はMnO2、Mn2O3、Mn3O4、Mn(CH3COO)2、Mn(CHO2)2、Mn(NO3)2、MnSO4、MnCO3、及びこれらのうちの混合物からなる群より選択される。
【0019】
このようなリチウム化合物とマンガン化合物の混合物は表面層が焼成した後、リチウムマンガン酸化物になることを考慮する時、リチウムマンガン複合酸化物100モル部に対して0.1乃至20モル部の量で投入する。リチウム化合物とマンガン化合物と他の金属原子が表面層の構造と性能を向上させるために添加されることも可能である。この場合において、表面層を形成する相はLi1+xMn2-x-yMyO4(ここで、0.01≦x≦0.1、0≦y≦0.5)であり、MはTi、V、Cr、Co、Ni、Fe、Al、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Sn、Siなどであり得る。さらに強化される表面層はリチウムとマンガンの混合物に前記金属化合物を溶解し、前記で説明した方法でコーティングして得る。コーティングが完了した後、コーティングされたスピネルは400乃至900℃の温度でガスを流しながら1乃至30時間熱処理してスピネルの表面に新たな相のスピネルを形成させる。使用されるガスは空気または酸素含量が10体積%以上の混合ガスであり、流量は重量と時間当り0.05乃至3.0(l/gh)が好ましい。
【0020】
以下の実施例及び比較例を通じて本発明を詳細に説明する。但し、実施例は本発明を例示するためのものであり、これらだけに限定するものではない。
【0021】
[実施例]
実施例1
(リチウム化合物とマンガン化合物の混合物製造)
被覆材料としてリチウム化合物とマンガン化合物の混合物を製造するために、リチウム化合物としてLiOH・H2Oとマンガン化合物としてMn(CH3COO)2を使用し、これらのLiとMnのモル比を1:2にして無水アルコールに溶解した後、30分以上攪拌して均一な混合溶液を製造し、この混合溶液を乾燥オーブンで乾燥して均一な混合物粉体を製造した。
【0022】
(被覆)
スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物(Li1.03Mn1.97O4.02)100重量部に前記で製造された混合物8重量部の割合で機械溶融混合器に投入し、100℃の温度で30分間被覆を実施した。
【0023】
(熱処理)
前記で被覆されたスピネルをチューブ形電気炉で480℃の温度で空気を0.1 (l/gh)の流量で流しながら10時間熱処理した。
図1は被覆前後における前記スピネル化合物のX線回折分析結果を示したグラフである。
【0024】
(正極活物質適用及び電池特性評価)
前記で被覆されたリチウムマンガンスピネル複合酸化物粉末を活物質として用いて電極を製造した。
導電体として黒鉛、結合剤としてポリ二フッ化ビニリデン(PVdF; polyvinylidenedifluoride)を使用し、このような活物質、導電体、結合剤を重量比85:10:5の割合にし、まず、結合剤をNMP(n-methyl pyrrolidinone)溶媒に溶解させた後、活物質と導電剤を添加してスラリーを製造した。
【0025】
得られたスラリーをアルミニウムホイルにテープキャスティング(tape casting)方法でコーティングした後、130℃の真空乾燥器で2時間乾燥して正極を製造した。
【0026】
負極としてリチウム金属を使用し、前記正極と負極を適当な大きさで切断した後、ボタン形態のセルを製造した。この時使用した電解質はLiPF61モル溶液であり、電解液はエチレンカーボネート(EC;ethylene carbonate)とエチルメチルカーボネート(EMC;ethylmethyl carbonate)がモル比1:2の割合で混合された溶液を使用した。
【0027】
得られたセルは[LiMn2O4/LiPF6(1M)inEC+2EMC/Li]で表示され、このセルを充放電特性と寿命特性で評価した。この時の充放電電圧の範囲は容量を評価する場合3.0〜4.5Vで、寿命特性を評価する場合3.4〜4.3Vの範囲で実施した。
【0028】
表1と図2に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0029】
実施例2
熱処理時被覆されたリチウムマンガン複合酸化物を750℃の温度で空気の流量を0.1(l/gh)として5時間熱処理することを除いては実施例1と同一な方法で被覆リチウムマンガン複合酸化物を製造した。
【0030】
また実施例1と同様な方法で前記で製造されたリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として使用して電池を製造し、その容量及び寿命特性を評価した。
表1と図2に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0031】
実施例3
リチウム化合物とマンガン化合物の混合物製造でLiとMnのモル比を1:1としたことを除いては前記実施例2と同一な方法で被覆リチウムマンガン複合酸化物を製造した。
【0032】
また実施例1と同様な方法で前記で製造されたリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として使用して電池を製造し、その容量及び寿命特性を評価した。
表1と図2に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0033】
実施例4
リチウム化合物とマンガン化合物の混合物製造でLiとMnのモル比を1:1として、Coの金属化合物を添加して表面層組成をLi2Mn1.95Co0.05O4とすることを除いては前記実施例2と同一な方法で被覆リチウムマンガン複合酸化物を製造した。
【0034】
また実施例1と同様な方法で前記で製造されたリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として使用して電池を製造し、その容量及び寿命特性を評価した。
表2と図3に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0035】
実施例5
リチウム化合物とマンガン化合物の混合物製造でLiとMnのモル比を1:1として、NiとZrの金属化合物を添加して表面層組成をLi2Mn1.85Ni0.1Zr0.05O4とすることを除いては前記実施例2と同一な方法で被覆リチウムマンガン複合酸化物を製造した。
【0036】
また実施例1と同様な方法で前記で製造されたリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として使用して電池を製造し、その容量及び寿命特性を評価した。
表2と図3に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0037】
実施例6
スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物粉末を合成するために、LiCH3COOとMn(CH3COO)2をリチウムとマンガンのモル比、[Li]/[Mn]が0.538になるように混合した。これらを均一に混合して、空気圧力下で10時間480℃で熱処理し、次いで反応を促進するために冷却して十分に再混合した後、空気圧力下で20時間700℃で反応させてスピネル粉末を製造した。熱処理の間の圧力調節のための空気流量は0.1 (l/gh)に設定した。得られたスピネル化合物Li1.05Mn1.95O4をコア粒子として使用し、それ以降は実施例3と同じ方法を実施した。
【0038】
表2と図3に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0039】
実施例7
金属原子がドーピングされたスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物粉末を合成するために、LiCH3COOとMn(CH3COO)2、及びCr(CH3COO)2をリチウムとマンガンのモル比、[Li]/[Mn]+[M]が0.538になるように混合した。添加されたCrの量は[Cr]/[Mn]が0.05/1.90になるようにした。この原料を均一に混合して、空気圧力下で10時間480℃で熱処理した。その後、反応を促進するために冷却して十分に再混合した後、空気圧力下で20時間700℃で反応させてスピネル粉末を製造した。熱処理間の圧力調節のための空気流量は0.1 (l/gh)に設定した。得られたスピネル化合物Li1.05Mn1.90Cr0.05O4をコア粒子として使用し、それ以降は実施例3と同じ方法を実施した。
【0040】
表2と図3に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0041】
比較例1
リチウム化合物とマンガン化合物の混合物で被覆しなかったリチウムマンガン複合酸化物を前記実施例1の熱処理方法と同一な条件で熱処理を実施した。
また実施例1と同様な方法で前記で製造されたリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いて電池を製造し、その容量及び寿命特性を評価した。
表1と図3に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0042】
比較例2
リチウム化合物としてLiCH3COOとマンガン化合物としてMn(CH3COO)2をLiとMnのモル比を0.538:1にして混合した。この混合物を480℃の温度で10時間空気を0.1 (l/gh)の流量で流す空気雰囲気で熱処理し、反応を促進させるために冷却させて再混合を十分にした後、700℃の温度で20時間空気を0.1 (l/gh)の流量で流す空気雰囲気で反応させてスピネル粉末を合成した。
【0043】
得られたリチウムマンガンスピネル化合物はLi1.05Mn1.95O4である。
この化合物を実施例1と同様な方法で前記で製造されたリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いて電池を製造し、その容量及び寿命特性を評価した。表1と図2、及び図3に各々45℃での充放電特性と45℃での寿命特性を示した。
【0044】
【表1】
【0045】
【表2】
【0046】
【発明の効果】
本発明の方法で新たなリチウムマンガンスピネル相を表面層に形成させたスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として使用したリチウムまたはリチウムイオン2次電池は室温以上の高温で容量の減少が少ないながらも寿命特性が優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 被覆前後におけるスピネル化合物のX線回折分析結果を示したグラフである。
【図2】 実施例1乃至3、及び比較例1乃至2の常温及び高温での電池寿命特性を示したグラフである。
【図3】 実施例4乃至5、及び比較例1乃至2の常温及び高温での電池寿命特性を示したグラフである。
Claims (10)
- a)コア粉体として使用されるスピネルLi1+xMn2-x-yMyO4(ここで、0.01≦x≦0.1、0≦y≦0.5、及びMはリチウムでもマンガンでもない他の金属原子)挿入化合物を提供する段階;
b)リチウム化合物とマンガン化合物の混合物粉体であって、水もしくはアルコールににおいてLiとMnのモル比で0.5:1.0乃至2.0:1.0の比でリチウム化合物とマンガン化合物とを溶解し、乾燥することによって作製される混合物粉体を提供する段階;
c)前記a)段階のスピネルLi1+xMn2-x-yMyO4の挿入化合物上に前記b)段階の混合物粉体をコーティングする段階;及び
d)前記c)段階のコーティングされたスピネル化合物をリチウムマンガン複合酸化物を焼成して、前記a)段階のスピネルLi1+xMn2-x-yMyO4挿入化合物の表面にスピネルの新しい相を形成する段階、
を含むスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。 - 前記a)段階の焼成温度が400乃至900℃である、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記a)段階の焼成時間が1乃至30時間である、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記a)段階のスピネルLi1+xMn2-x-yMyO4挿入化合物がTi、V、Cr、Co、Ni、Fe、Al、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Sn及びSiからなる群から選択されるドーパント(M)を有する、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記b)段階のリチウム化合物はLiOH、LiOH・H2O、LiCH3COO、LiCHO、LiCHO・H2O、LiNO3及びこれらのうちの混合物からなる群より選択される、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記b)段階のマンガン化合物はMnO2、Mn2O3、Mn3O4、Mn(CH3COO)2、Mn(CHO2)2、Mn(NO3)2、MnSO4、MnCO3及びこれらのうちの混合物からなる群より選択される、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記b)段階でTi、V、Cr、Co、Ni、Fe、Al、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Sn及びSiからなる群より選択される1種以上の金属塩から選択されるドーパントが有機溶液または水溶液に溶解されて添加される、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記b)段階でドーパントとして用いられる金属塩化合物とLiのモル比が0.0:1.0乃至0.5:1.0である、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記c)段階でリチウム化合物とマンガン化合物の混合物は、表面層が焼成後に、リチウムマンガン酸化物になる時スピネル挿入化合物の100モル部当り0.1乃至20モルの量が導入される、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
- 前記d)段階で焼成は1乃至30時間400乃至900℃の温度で0.05乃至3.0liter/ghの流速の10体積%以上の空気または酸素を含有する流動ガス圧力下で実施される、請求項1に記載のスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物の製造方法。
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