JPH02109260A - リチウム二次電池用正極 - Google Patents

リチウム二次電池用正極

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JPH02109260A
JPH02109260A JP63261791A JP26179188A JPH02109260A JP H02109260 A JPH02109260 A JP H02109260A JP 63261791 A JP63261791 A JP 63261791A JP 26179188 A JP26179188 A JP 26179188A JP H02109260 A JPH02109260 A JP H02109260A
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、リチウムまたはリチウム合金を負極とするり
ヂウjに次電池に関し、特に正極活物質の改良を意図す
るものである。
従来の技術 リチウム二次電池の正極活物質として、クロム酸化物や
二酸化マンガンが知られている。クロム酸化物は公害の
点で課題があり、最近では、二酸化マンガンについての
研究が活物である。
二酸化マンガンを正極活物質としたリチウム二次電池で
は、充放電サイクルをくり返すと徐々に容量が低下する
問題があった。これは、二酸化マンガンの結晶性が徐々
に低下するためと考えられた。
この課題を改良するために、マンガンとリチウムの複合
酸化物であるLi2CO3が提案されたく例えば特開昭
63−114065号公報や、タラクレーなどによる、
マテリアル リザーチブレティン 第18巻1983年
461頁から472頁記載の論文)。このLiMn2O
4の合成法として、Mn2O3とLi2CO3を加熱す
る方法、または、電解二酸化マンガンや化学マンガンと
LiOHやLi2CO3などを加熱する方法が知られて
いる。しかし、合成法により、電池に適用した場合、そ
のサイクル特性は大きく異り、化学マンガン(MnO2
)とLid)(から合成したLiMn2O4が良好とさ
れている。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、これら二酸化マンガンとLi0)tやL
izCO:+などから合成したLiMn2O4を活物質
に用いても、リチウム二次電池の容量やサイクル特性は
まだ不十分てあった。
本発明は」−記問題点に鑑み、正極活物質の充放電サイ
クル時の容量さくに体積当りの容量を増加させると吉も
に、サイクル特性の向上を図ることを目的とするもので
ある。
課題を解決するための手段 Jヂウムまたはリチウム合金を負極とし、リチウム塩を
溶解した非水電解質と、正極とからなるJヂウムニ次電
池において、正極活物質として、硝酸マンカンと、リチ
ウム塩を酸素存在下で加熱して得た生成物を用いること
を特徴としている。
作用 従来のLiMn20+の合成法は、全てマンガン酸化物
と、リチウム塩との反応により行われて来た。したがっ
て出発原料となるマンガン酸化物の性質により、生成物
の特性も大きく変化した。例えば電解二酸化マンガンを
用いると元のかさ密度が大きいため、生成物のかさ密度
も大きい。しかし、リチウム塩との反応性が悪いため、
加熱温度や時間を変えても放電容量、サイクル特性とも
に欠点があった。一方化学マンガンは、かさ密度は小さ
く、また生成物のかさ密度も小さい。しかし、加熱時の
リチウム塩との反応性は良好であり、生成物を活物質と
すると、単位重量当りの容量は電解二酸化マンガンを原
料に用いた場合に比べ大である。単位体積当りに換算す
ると、かさ密度が電解二酸化マンガンを原料にした方が
大きいので、化学マンガンを用いた時に比べて変りはな
かった。
本発明は、固相反応を行うマンガン酸化物を原料とぜず
に、室温で液体である硝酸マンガンを用いることを特徴
としている。つまり、リチ1クム塩を水に溶解し、これ
に硝酸マンガンを加えると、均一な溶液状態となる。す
なわちこの状態ではマンガンイオンとリチウムイオンは
均一に溶解している。これを加熱して反応させることに
より均一な、かつかさ密度の大きいLiMn2O4が生
成すると考えた。また従来の固相反応を用いるのではな
いので・、低温でも生成物を得られるという利点もある
。■、iMr+204は、従来のγ−二酸化マンガンと
異りスピネル結晶構造を持ち、充放電サイクルをくり返
しても結晶状態はあまり変化しないと考えられていた。
したがって、結晶性の低いL i Mn204程格子中
のリチウムイオンの拡散が容易になり電池特性が向上す
ると考られている。
従来の固相反応を用いた合成法では、十分な反応を起こ
させるのにどうしても400℃以上の温度が必要となり
、この高温のために生成物の結晶性が大きくなった。−
古本発明では、固相反応を用いないため200℃の低温
でも反応が進行し、結晶性の低い、正極活物質に用いた
時には、単位重量当りの容量の大きい活物質となる。要
約すると、本発明の正極活物質は、かさ密度も大きく、
かつ結晶性の低いL i Mn204となり、電池に用
いた場合、単位体積当りの容量の大きい、サイクル特性
の良好な電池となる。
実施例 (実施例1) 硝酸リチウム0.1モルを水50ccに溶解し、これに
硝酸マンガン0.2モルを加えた。大気中で250℃に
加熱して、生成物を得た。これを本発明の活物質1とす
る。
従来例の活物質として、化学マンガン(M n 02)
0.2モルにLiOHを0.1モル加え、よく粉末を混
合し、470℃で加熱してLiMn20<を得た。また
比較例の活物質として、電解二酸化マンガン0.2モJ
LとLiOHを0,1モル加え、470℃で加熱してL
iMn2O4を得た。
各々の活物質10gに導電剤としてアセチレンブラック
5g、結着剤としてポリ四フッ化エヂレン樹脂Logを
加え、よ(混錬して正極合剤とした。
これら正極合剤を用いて、第2図に示すような電池を構
成した。正極合剤を1トン/cIIiで加圧成型して、
直径17.5mm、高さ0.5mmになるようにした。
単位体積当りの容量を比較するためである。成型した正
極1をケース2の中に入れた。直径1.7.5mm高さ
0.5mmに打ち抜いた金属リチウム3を封口板4に圧
着し負極とした。正極とリチウ11の間にポリプロピレ
ン製不織布をセパレータ5として介在させた。非水電解
質として、1モルフ/eの過塩酸リチウムを溶解した体
積非凡1,1のプロピレンカーボネートとシメトキシエ
チンの混合溶液を用い、正極、負極に注液した後、電池
を封口材6で封口した。
この電池を2mAの定電流で電圧が2ボルトになるまで
放電し、2 m Aで電圧が3.8ボルトになるまで充
電した。本発明の活物質1を用いた電池をA、従来例の
活物質を用いた電池をB、比較例の活物質を用いた電池
をCとする。第1図には、第10サイクル目の各電池の
放電曲線を示す。本発明の電池Aの場合に容量が大きい
ことがわかる。また第3図には、充放電サイクルをくり
返した時の放電容量をプロットしたサイクル特性を示す
。本発明の電池では、サイクルに伴う劣化が少い。
本発明の活物質1のX線回折を調べてみると、ブロード
なピークが大体LiMn2O4に相当する場所にあられ
れる。しかし、あまりにブロードであり正確なピーク位
置の同定が困難であり、明確にLiMn2O4と同定す
るのは困難と思われた。しかし後述するように、高温で
合成する程ピークは、従来例や比較例のLiMn2O4
に近いものとなることより、本発明の活物質1は、Li
Mn20<に近いものであると考えられる。
(実施例2) 硝酸リチウム0.1モルを水50ccに溶解し、これに
硝酸マンガン0.2モルを加えた。大気中で温度を変え
て加熱して生成物を得た。生成物を実施例1と同様にし
て、電池に構成し、同様の試験を行った。第4図は加熱
温度と、電池の第10ザイクル目の放電容量をプロット
したものである。これより、200℃から550℃の間
で良好であることがわかった。X線回折で生成物を調べ
ると、高温、特に、450℃以上の加熱を行った場合に
従来例や比較例のLiMn20+に近いものとなった。
しかし、放電容量としては、本発明の生成物の方が大き
い。理由として、同体積に成型した正極の重量が、本発
明の生成物を用いた場合に大になっていることにより、
本発明の生成物の方がかさ密度が大になっていることが
考えられる。
曲線が300〜4. O0℃付近で最大となるのは、低
温では低い結晶性ではあるがかき密度も低く、高温でば
かさ密度が大になるが、結晶性も高くなるためと思う。
(実施例3) 各種り−f−ウム塩をリチウムイオンが0.1モルによ
るように秤量し、これを50ccの水に溶解し、さらに
硝酸マンガン0.2モルを加え、大気中で470℃で加
熱した。各生成物を実施例1と同様な方法で電池を構成
し、試験を行った。用いたリチウム塩により性態は異っ
た。表に用いたリチウム塩の種類と、第10サイクル目
の放電容量を示す。これにより、リチウム塩としては、
硝酸ノチウム〉硫酸リチウム〉水酸化リチウム〉炭酸リ
チウムの順であった。この理由は不明であるが、生成物
のかさ密度が上記の順であることより、リチウム塩の種
類が生成物のかさ密度に何らかの影響を及ぼしていると
思われる。
(実施例4) 硝酸リチウムのモル数を変え、これを水に溶解し、硝酸
マンガン0.2モルを加えた。大気中で300℃で加熱
して生成物を得た。実施例1と同様の電池を構成し、同
じ試験を行った。硝酸マンガン中のマンガンのモル数と
硝酸リチウム中のりチラムのモル数の比率をx:1で表
して、各電池の第10ザイクル目の放電容量を第5図に
プロットした。この曲線よりx=2つまりLiMn2O
4に相当する組成比で最大とならず、むしろ1.5付近
で・最大となる。X線回折ピークはブロードで明確なピ
ーク位置は求めにくい。LiMn20+は、明確な組成
比を持った化合物でな(て、不定比の化合物も作りうる
のではないかと思う。
以上の実施例では、全て大気中で加熱する方法で活物質
を合成した。これは、原料の硝酸マンガン中のマンガン
は2価の状態であるのに対し、生成物中のマンガンは、
3価、4価の混合状態になっているためであり、反応に
は、大気中の酸素も関与している。実施例で示した加熱
を窒素雰囲気下で行うと、生成物を充放電しても、その
容量は小さかった。
また、用いた非水電解質は、LiCe04以外に、Li
PF5やL i 、A s F 6などを溶解した有機
電解液に限定したものではなく、LiCF3SO3を溶
解したポリエチレンオキザイドのようなポリマー電解質
を用いた場合にも、本発明の活物質は有効であった。
発明の効果 上述の説明から明らかなように、本発明のリチウム塩と
硝酸マンガンを酸素存在下で加熱して合成した生成物を
正極活物質とすることにより、体積当り容量の大きい、
かつ、サイクル特性の良好なリチウム二次電池を構成で
きることになり、産業上の意義は大きい。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例のリチウム二次電池の第10
サイクル目の放電曲線、第2図は同リチウム二次電池の
縦断面図、第3図は同リチウム二次電池のサイクル特性
図、第4図は合成時の加熱温度と生成物を電池にした時
の電池の放電容量の関係図、第5図はマンガンとリチウ
ムのモル数の比をX;1で表した時の比率と、生成物を
電池にした時の・放電容量の関係図である。 代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 ほか1名(A)  
ヨ臭+叫

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)リチウムまたはリチウム合金からなる負極と、リ
    チウム塩を溶解した非水電解質と、正極とからなり、前
    記正極の正極活物質として、硝酸マンガンとリチウム塩
    を、酸素存在下で加熱して得た生成物を用いることを特
    徴とするリチウム二次電池。
  2. (2)硝酸マンガンとリチウム塩のマンガン:リチウム
    のモル比が1:1から4:1であることを特徴とする請
    求項1記載のリチウム二次電池。
  3. (3)加熱温度が200℃から550℃であることを特
    徴とする請求項1記載のリチウム二次電池。
JP63261791A 1988-10-18 1988-10-18 リチウム二次電池用正極 Expired - Fee Related JPH0773053B2 (ja)

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