JPH02139860A - 非水電解質二次電池とその正極活物質の製造法 - Google Patents
非水電解質二次電池とその正極活物質の製造法Info
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- JPH02139860A JPH02139860A JP63291161A JP29116188A JPH02139860A JP H02139860 A JPH02139860 A JP H02139860A JP 63291161 A JP63291161 A JP 63291161A JP 29116188 A JP29116188 A JP 29116188A JP H02139860 A JPH02139860 A JP H02139860A
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- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
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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。
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、非水電解質二次電池、特に、その正極の改良
に関する。
に関する。
従来の技術
リチウムまたはリチウム合金を負極とする非水電解質二
次電池の正極活物質については、これまで、Ti、V、
Or、Mo等の層状もしくはトンネル構造を有する酸化
物及びカルコゲン化合物が知られている。これらの構造
を有する化合物では、電池の充放電により、リチウムイ
オンが化合物の層もしくはトンネル内へ出入りする。こ
のため、化合物自体の結晶格子は単に膨張、収縮するの
みで、結晶構造が著しく破壊されることがないため、二
次電池用正極活物質に適する。
次電池の正極活物質については、これまで、Ti、V、
Or、Mo等の層状もしくはトンネル構造を有する酸化
物及びカルコゲン化合物が知られている。これらの構造
を有する化合物では、電池の充放電により、リチウムイ
オンが化合物の層もしくはトンネル内へ出入りする。こ
のため、化合物自体の結晶格子は単に膨張、収縮するの
みで、結晶構造が著しく破壊されることがないため、二
次電池用正極活物質に適する。
ところで、MnO2は、高い電圧、大きい放電容量、す
なわち、高エネルギー密度を有する正極活物質として非
水電解質−次電池に適用され、/J’s型電子機器用電
源をはじめとし広く利用されている。
なわち、高エネルギー密度を有する正極活物質として非
水電解質−次電池に適用され、/J’s型電子機器用電
源をはじめとし広く利用されている。
MnO2はルチル型の結晶構造であり、上述のトンネル
構造を有する。電池の放電にともない、リチウムイオン
がこのトンネル内に侵入、移動し、いわゆる挿入反応が
起きる。この放電過程では、MnO2の結晶格子は膨張
するが結晶構造そのものの破壊はない。したがって、放
電過程でMnO2内に侵入したリチウムイオンはMnO
2内を容易に移動できる状態にある。にもかかわらず、
充電によシ、リチウムイオンをMnO2内からとり出す
ことが困難である。これは、放電にともなうMnO□粒
子自体の電子伝導性の低下と、充電の際のMnO2粒子
の収縮によるMnO2粒子とカーボンブラック等の導電
剤粒子の分離による集電不良である。特に、MnO□粒
子と導電剤粒子の分離は、放電過程で生成したLixM
nO2が絶縁体に近いため、充電過程でのリチウムイオ
ンの放出を一層困難にする。
構造を有する。電池の放電にともない、リチウムイオン
がこのトンネル内に侵入、移動し、いわゆる挿入反応が
起きる。この放電過程では、MnO2の結晶格子は膨張
するが結晶構造そのものの破壊はない。したがって、放
電過程でMnO2内に侵入したリチウムイオンはMnO
2内を容易に移動できる状態にある。にもかかわらず、
充電によシ、リチウムイオンをMnO2内からとり出す
ことが困難である。これは、放電にともなうMnO□粒
子自体の電子伝導性の低下と、充電の際のMnO2粒子
の収縮によるMnO2粒子とカーボンブラック等の導電
剤粒子の分離による集電不良である。特に、MnO□粒
子と導電剤粒子の分離は、放電過程で生成したLixM
nO2が絶縁体に近いため、充電過程でのリチウムイオ
ンの放出を一層困難にする。
したがって、MnO□を二次電池に用いた場合、充放電
サイクルによる充放電容量の減少が著しく、寿命が短い
ため、MnO2は二次電池用正極活物質には不向きであ
る。
サイクルによる充放電容量の減少が著しく、寿命が短い
ため、MnO2は二次電池用正極活物質には不向きであ
る。
以上のようなMnO2の充放電サイクルでの容量減少を
防止するためMnO2にあらかじめLiを添加、加熱し
、充放電過程での結晶格子の膨張、収縮の度合がMn0
zに比べ小さい、スピネル型の結晶構造を有するLiM
n 2O4を正極の活物質に用いることが提案されてお
シ、特に、放7「容量の点から、低温で加熱することに
よシ得たLiMn2O4が好ましいとされている(英国
公開公報GB2196785A)。
防止するためMnO2にあらかじめLiを添加、加熱し
、充放電過程での結晶格子の膨張、収縮の度合がMn0
zに比べ小さい、スピネル型の結晶構造を有するLiM
n 2O4を正極の活物質に用いることが提案されてお
シ、特に、放7「容量の点から、低温で加熱することに
よシ得たLiMn2O4が好ましいとされている(英国
公開公報GB2196785A)。
この低温でのLiMn、、04の製造法は概ね次のよう
で6る。Li2GO,とMnO,を混合し、430℃〜
62O℃の温度範囲で加熱するか、または、 Li工と
MnO2の混合物を300℃で加熱後、有機溶媒で洗浄
することによりLiMn2O4を得る。
で6る。Li2GO,とMnO,を混合し、430℃〜
62O℃の温度範囲で加熱するか、または、 Li工と
MnO2の混合物を300℃で加熱後、有機溶媒で洗浄
することによりLiMn2O4を得る。
発明が解決しようとする課題
しかし、このような製造法によって得たLiMn2O4
を正極活物質として用い、リチウムまたはリチウム合金
を負極に用いた電池を組み立て、充放″1程サイクルを
くシ返した場合、リチウム負極の腐食が著しく、サイク
ル寿命が短いという問題点があった。これは次の理由に
よる。
を正極活物質として用い、リチウムまたはリチウム合金
を負極に用いた電池を組み立て、充放″1程サイクルを
くシ返した場合、リチウム負極の腐食が著しく、サイク
ル寿命が短いという問題点があった。これは次の理由に
よる。
Li 2Go 、とMnO□ を混合、加熱してL i
Mn 2O4を得る場合、Li2Go、の融点は618
℃であるため、Li2GO,がMnO2と十分に反応で
きる状態になるためにはこの融点近傍まで加熱する必要
がある。しかし、MnO2はこのような温度ではβ型の
構造に転移するか、または、Liとの反応が著しく不活
性なMn2O3に変化する。β型のMnO2はLlがM
nO2内に拡散可能なトンネル構造を有するが、Liを
十分にMnO2内に取り込むことができない。これは、
β型MnO□を正極活物質に用いる非水電解質−次電池
の放電容量が極端に小さいということからもうかがえる
。したがって、Li2Co3とMnO2からLiMn2
O4を調製する場合、MnO2粒子表面に過剰なLiが
堆積し電気化学的に不活性すLi2Mn057):形成
サレル一方、Li2CO3粒子とMnO2粒子が接触し
ていなかったMnO□粒子表面上は依然としてMnO2
として残る。すなわち、1.ri、、Co5とMnO2
の反応では、同一粒子上にL i2 M n O5とM
nO2が混在したものが生成しやすい。Li 2Mn0
、やMnO2は電解質中に含まれる微量の水分により
若干溶出するため、リチウムまたはリチウム合金負極に
到達し、この結果、負極表面上でリチウム・マンガン酸
化物が形成されることにより、リチウム負極が腐食する
ため、サイクル寿命が短くなるのである。さらに、Mn
O2は上述したように、充放電サイクルでの容量減少が
大きいことから、Li2Go、とMnO2の反応によっ
て得たLiMn 2O 、を用いても、なお、充放電容
量の減少が見られる。このような、同一粒子上にLi
2Mn0 、とMnO2が混在したLiMn2O4の生
成を回避するためには、英国公開公報GB219678
5Aの実施例1に開示されているように、Li/Mn原
子比を、LiMn2O4の組成より与えられる値、すな
わち、0.6よシも十分大きい0.7の比率でLi2G
o5とMnO□を混合する必要がある。この理由は明ら
かではないが、Li2Go、をMnO2に比べ過剰に加
えることで、加熱時のLiのMnO2内への拡散をMn
O2粒子表面全体から行うことになシ、LiMn2O4
の形成が容易になると考えられる。しかし、材料調製の
コスト面から見て、余分の試薬を使用することは不利で
あり、材料の組成式に従う試薬量またはその近傍で、材
料調製を行うことが最も望ましい。
Mn 2O4を得る場合、Li2Go、の融点は618
℃であるため、Li2GO,がMnO2と十分に反応で
きる状態になるためにはこの融点近傍まで加熱する必要
がある。しかし、MnO2はこのような温度ではβ型の
構造に転移するか、または、Liとの反応が著しく不活
性なMn2O3に変化する。β型のMnO2はLlがM
nO2内に拡散可能なトンネル構造を有するが、Liを
十分にMnO2内に取り込むことができない。これは、
β型MnO□を正極活物質に用いる非水電解質−次電池
の放電容量が極端に小さいということからもうかがえる
。したがって、Li2Co3とMnO2からLiMn2
O4を調製する場合、MnO2粒子表面に過剰なLiが
堆積し電気化学的に不活性すLi2Mn057):形成
サレル一方、Li2CO3粒子とMnO2粒子が接触し
ていなかったMnO□粒子表面上は依然としてMnO2
として残る。すなわち、1.ri、、Co5とMnO2
の反応では、同一粒子上にL i2 M n O5とM
nO2が混在したものが生成しやすい。Li 2Mn0
、やMnO2は電解質中に含まれる微量の水分により
若干溶出するため、リチウムまたはリチウム合金負極に
到達し、この結果、負極表面上でリチウム・マンガン酸
化物が形成されることにより、リチウム負極が腐食する
ため、サイクル寿命が短くなるのである。さらに、Mn
O2は上述したように、充放電サイクルでの容量減少が
大きいことから、Li2Go、とMnO2の反応によっ
て得たLiMn 2O 、を用いても、なお、充放電容
量の減少が見られる。このような、同一粒子上にLi
2Mn0 、とMnO2が混在したLiMn2O4の生
成を回避するためには、英国公開公報GB219678
5Aの実施例1に開示されているように、Li/Mn原
子比を、LiMn2O4の組成より与えられる値、すな
わち、0.6よシも十分大きい0.7の比率でLi2G
o5とMnO□を混合する必要がある。この理由は明ら
かではないが、Li2Go、をMnO2に比べ過剰に加
えることで、加熱時のLiのMnO2内への拡散をMn
O2粒子表面全体から行うことになシ、LiMn2O4
の形成が容易になると考えられる。しかし、材料調製の
コスト面から見て、余分の試薬を使用することは不利で
あり、材料の組成式に従う試薬量またはその近傍で、材
料調製を行うことが最も望ましい。
本発明はこのような従来の欠点を除去するものf6す、
Li 、、MnO、やMnO2の混在が少なく、充放電
サイクルをくり返しても容量減少が小さいLiMn2O
4を正極活物質に用いることで信頼性の高い非水電解質
二次電池を提供し、さらに、このように非水電解質二次
電池の正極活物質としてすぐれた特性を示すL工Mn2
O4の製造法についても提供することを目的とする。
Li 、、MnO、やMnO2の混在が少なく、充放電
サイクルをくり返しても容量減少が小さいLiMn2O
4を正極活物質に用いることで信頼性の高い非水電解質
二次電池を提供し、さらに、このように非水電解質二次
電池の正極活物質としてすぐれた特性を示すL工Mn2
O4の製造法についても提供することを目的とする。
課題を解決するだめの手段
本発明の非水電解質二次電池は、正極活物質に結晶格子
定数4が8.22Å以下のLiMn2O4を用いること
を特徴とする。さらに、このLiMn2O4を得るため
、本発明の製造法は、リチウム酸化物。
定数4が8.22Å以下のLiMn2O4を用いること
を特徴とする。さらに、このLiMn2O4を得るため
、本発明の製造法は、リチウム酸化物。
リチウム水酸化物、または、リチウム・マンガン酸化物
と、γ型のMnO2と、必要に応じて、水を混練し、加
熱することを特徴とし、さらに、特性を向上するため、
生成LiMn 、O、をPH4以上の酸性溶液相中で洗
浄することを特徴とする。
と、γ型のMnO2と、必要に応じて、水を混練し、加
熱することを特徴とし、さらに、特性を向上するため、
生成LiMn 、O、をPH4以上の酸性溶液相中で洗
浄することを特徴とする。
作用
本発明の結晶格子定数aが8.22Å以下のLiMn
2O4を正極活物質として用い、充放電によってリチウ
ムイオンを結晶格子内に出入りさせた場合、ムSTMカ
ード(rats−782)に記載される結晶格子定数へ
が8.24762人のLiMn 、、O。
2O4を正極活物質として用い、充放電によってリチウ
ムイオンを結晶格子内に出入りさせた場合、ムSTMカ
ード(rats−782)に記載される結晶格子定数へ
が8.24762人のLiMn 、、O。
に比べ、結晶格子が収縮、すなわち、単位胞が小さくな
っているため、膨張、収縮の度合が小さい。
っているため、膨張、収縮の度合が小さい。
したがって、充放電過程での、カーボンブラック等の導
電剤粒子とLiMn 2O4粒子との分離が小さく、極
板内での集電は良好に保たれることになシ、充放電サイ
クルをく9返しても充放電容量の減少は少ない。
電剤粒子とLiMn 2O4粒子との分離が小さく、極
板内での集電は良好に保たれることになシ、充放電サイ
クルをく9返しても充放電容量の減少は少ない。
上記の結晶格子定数aが8.22Å以下で、しかも、L
i2Mn0.やMnO2の混在の少ないLiMn2O4
を得るため、リチウム酸化物等とγ型のMnO2と、必
要に応じて、水を混練して加熱する。例えば、LiOH
ノ場合、LiOH(7)融点ハLi2C06ニ比へ44
5℃と著しく低温でる9、MnO2がリチウム拡散が困
難なβ型に転移する前に、LiOHとMnO2は容易に
反応することができる。ここで、LiOHは加熱により
溶解すること、さらに、MnO□内に含まれる少量の水
分が加熱時、MnO2内より放出され、LiOHを溶か
すことによシ、MnO□粒子はLiOHによってその表
面のほとんどを覆われることにな9、LiOHとMnO
2の反応は均一に進む。
i2Mn0.やMnO2の混在の少ないLiMn2O4
を得るため、リチウム酸化物等とγ型のMnO2と、必
要に応じて、水を混練して加熱する。例えば、LiOH
ノ場合、LiOH(7)融点ハLi2C06ニ比へ44
5℃と著しく低温でる9、MnO2がリチウム拡散が困
難なβ型に転移する前に、LiOHとMnO2は容易に
反応することができる。ここで、LiOHは加熱により
溶解すること、さらに、MnO□内に含まれる少量の水
分が加熱時、MnO2内より放出され、LiOHを溶か
すことによシ、MnO□粒子はLiOHによってその表
面のほとんどを覆われることにな9、LiOHとMnO
2の反応は均一に進む。
したがって、Li 2Mn05やMnO2の混在の少な
いLiMn2O4が生成する。Li2OやLi 5Mn
04等のリチウム・マンガン酸化物は、融点が高(Mn
O2と反応しにくいが、これらは溶解度は小さいものの
水に溶解するためMnO□との混練時に水を加えること
により、MnO2との反応を均一に行わせることができ
、Li2MnO3やMnOの混在の少ないLi1An2
O4を得ることができるLiOHの場合にも、MnO2
との混練時、水を加えるとさらに均一な反応を行わぜる
ことか可能である。
いLiMn2O4が生成する。Li2OやLi 5Mn
04等のリチウム・マンガン酸化物は、融点が高(Mn
O2と反応しにくいが、これらは溶解度は小さいものの
水に溶解するためMnO□との混練時に水を加えること
により、MnO2との反応を均一に行わせることができ
、Li2MnO3やMnOの混在の少ないLi1An2
O4を得ることができるLiOHの場合にも、MnO2
との混練時、水を加えるとさらに均一な反応を行わぜる
ことか可能である。
ここで、MnO2にγ型の構造を有するMnO2を用い
ると、r型MnO2はリチウム拡散のためのトンネル径
が大きく、リチウム化合物と反応した場合、リチウムは
M n O2粒子内部まで十分に拡散することができ、
粒子表面には過剰のLiが堆積せず、Li2Mn0.が
形成されにくい。したがって均一なLiMn2O4が生
成する。
ると、r型MnO2はリチウム拡散のためのトンネル径
が大きく、リチウム化合物と反応した場合、リチウムは
M n O2粒子内部まで十分に拡散することができ、
粒子表面には過剰のLiが堆積せず、Li2Mn0.が
形成されにくい。したがって均一なLiMn2O4が生
成する。
以上のような、リチウム化合物とMnO□との反応で、
結晶格子定数aが通常の8.24762人よシ収縮した
LiMn2O4が生成する理由は明らかではないが、リ
チウム化合物とMnO2との反応を低温で進めるため、
上記で述べたように、反応途中で、粒子表面にLiMn
2O 、と結晶構造の似たLi 2Mn05が形成さ
れやすく、加熱を続けてもこの影響が残るためと考えら
れる。実際、上記の反応を430℃以下で行うと、反応
生物はLi 2Mn0 。
結晶格子定数aが通常の8.24762人よシ収縮した
LiMn2O4が生成する理由は明らかではないが、リ
チウム化合物とMnO2との反応を低温で進めるため、
上記で述べたように、反応途中で、粒子表面にLiMn
2O 、と結晶構造の似たLi 2Mn05が形成さ
れやすく、加熱を続けてもこの影響が残るためと考えら
れる。実際、上記の反応を430℃以下で行うと、反応
生物はLi 2Mn0 。
が生成し、さらに、610℃を超える温度で加熱すると
、結晶格子定数aが8.22人より大きいL I M
n 2O4が生成する。
、結晶格子定数aが8.22人より大きいL I M
n 2O4が生成する。
さらに、生成したLiMn 2O4を酸性溶液相中で洗
浄することによ5. LiMn2O4粒子表面に一部形
成したLi2Mn0.や未反応残留物のLiOH等のリ
チウム化合物を除去することができ、リチウムまたはリ
チウム合金負極の腐食を防ぐことになるため、電池のサ
イクル寿命が延びる。この酸性溶液相中での洗浄は、溶
液相のpHが4以上であることが好ましい。溶液相のp
Hが4未満であると、LiMn2O4粒子中の工 と溶
液中のH,Oの交換反応が起きるため、このようにして
得たLiMn2O4を用いて電池を構成しても、交換反
応によってLiMn、、04粒子内に入ったH2Oがリ
チウムまたはリチウム合金負極を腐食する。したがって
、電池のサイクル寿命は短くなる。
浄することによ5. LiMn2O4粒子表面に一部形
成したLi2Mn0.や未反応残留物のLiOH等のリ
チウム化合物を除去することができ、リチウムまたはリ
チウム合金負極の腐食を防ぐことになるため、電池のサ
イクル寿命が延びる。この酸性溶液相中での洗浄は、溶
液相のpHが4以上であることが好ましい。溶液相のp
Hが4未満であると、LiMn2O4粒子中の工 と溶
液中のH,Oの交換反応が起きるため、このようにして
得たLiMn2O4を用いて電池を構成しても、交換反
応によってLiMn、、04粒子内に入ったH2Oがリ
チウムまたはリチウム合金負極を腐食する。したがって
、電池のサイクル寿命は短くなる。
実施例
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例1
本発明のL工Mn2O4を次のようにして作製した。
LiOH,H2O12,066fとγ型M n O2s
o、o o o yをボールミルテ混合した後、H2
O2Oyllを加えペースト状にし、470℃で6時間
加熱した。さらに、この生成物を粉砕し、再びH,,0
2Om/を加えペースト状にした後、470℃で加熱し
た。この化合物の粉末X線回折は図1のように得られ、
この化合物は、容易にLiMn2O4であると同定でき
、Li2MnO3やMnO□の混在は認められない。こ
のようにして得たLiMn 2O 、のX、W回折指数
(111)の面間隔は4.731人であ!]、 LiM
n、O,は立方晶系であることから、結晶の格子定数a
は次式により a=d、4V12 画(1) (h、に、gは面指数、dは面指数(hll)の面間隔
)8.194人と計算される。
o、o o o yをボールミルテ混合した後、H2
O2Oyllを加えペースト状にし、470℃で6時間
加熱した。さらに、この生成物を粉砕し、再びH,,0
2Om/を加えペースト状にした後、470℃で加熱し
た。この化合物の粉末X線回折は図1のように得られ、
この化合物は、容易にLiMn2O4であると同定でき
、Li2MnO3やMnO□の混在は認められない。こ
のようにして得たLiMn 2O 、のX、W回折指数
(111)の面間隔は4.731人であ!]、 LiM
n、O,は立方晶系であることから、結晶の格子定数a
は次式により a=d、4V12 画(1) (h、に、gは面指数、dは面指数(hll)の面間隔
)8.194人と計算される。
このLiMn2O.を正極活物質として、第3図に示す
ような扁平型電池を組み立て充放電試験を行った。以下
、第3図に基づき説明する。
ような扁平型電池を組み立て充放電試験を行った。以下
、第3図に基づき説明する。
LiMn2O4,導電剤であるカーボンブラック、及び
、結着剤である四弗化エチレン樹脂粉末を重量比で、7
o対2O対10の割合で混合した。この混合物60qを
チタンエキスバンドメタルから成る正極集電体1をスポ
ット溶接した電池ケース2内に成型、圧着し、正極3と
した。正極板の直径は14.3mmである。負極4には
、厚さ0.36mmのリチウムシートを用い、ステンレ
スメツシュから成る負極集電体6をスポット溶接した封
口板6に加圧圧着した。電解液には、プロピレンカーボ
ネートとジメトキシエタンを等体積の割合で混合したも
のに、1モル/lの割合でLiCdO4を溶解したもの
を用いた。また、セパレータ7にはポリプロピレン不織
布を用いた。又電池ケース2と封口板6の外周部はガス
ケット8で封止した。このようにして構成した本発明の
電池をAとする。
、結着剤である四弗化エチレン樹脂粉末を重量比で、7
o対2O対10の割合で混合した。この混合物60qを
チタンエキスバンドメタルから成る正極集電体1をスポ
ット溶接した電池ケース2内に成型、圧着し、正極3と
した。正極板の直径は14.3mmである。負極4には
、厚さ0.36mmのリチウムシートを用い、ステンレ
スメツシュから成る負極集電体6をスポット溶接した封
口板6に加圧圧着した。電解液には、プロピレンカーボ
ネートとジメトキシエタンを等体積の割合で混合したも
のに、1モル/lの割合でLiCdO4を溶解したもの
を用いた。また、セパレータ7にはポリプロピレン不織
布を用いた。又電池ケース2と封口板6の外周部はガス
ケット8で封止した。このようにして構成した本発明の
電池をAとする。
次に比較例として、L i2G O5とMnO2を原料
としてLiMn 2O4を作製した。Li2Go510
.624fとγ型MnO260,00Ofをボールミル
で混合した後、470℃で6時間加熱した。この化合物
の粉末X線回折は図2のように得られ、この化合物は、
LiMn2O4の他に、Li2MnO3,MnO2が混
在している。このようにして得たLiMn 2O4を正
極活物質として、上記で述べた扁平型電池を同様に構成
した。この比較例の電池をBとする。
としてLiMn 2O4を作製した。Li2Go510
.624fとγ型MnO260,00Ofをボールミル
で混合した後、470℃で6時間加熱した。この化合物
の粉末X線回折は図2のように得られ、この化合物は、
LiMn2O4の他に、Li2MnO3,MnO2が混
在している。このようにして得たLiMn 2O4を正
極活物質として、上記で述べた扁平型電池を同様に構成
した。この比較例の電池をBとする。
以上のように構成した本発明の電池人と比較例の電池B
において、0.8mAの定電流、放電下限電圧2.OV
、充電上限7H圧3.8vの条件で充放電試験を行った
。
において、0.8mAの定電流、放電下限電圧2.OV
、充電上限7H圧3.8vの条件で充放電試験を行った
。
第4図は、本発明の電池Aと比較例の電池Bの各充放電
サイクルでの放電容量をプロットした図である。第4図
より、比較例の電池Bでは、本発明の電池人に比べて、
各サイクルでの放電容量が少なく、充放電サイクルでの
放電容量の減少の度合も大きいことがわかる。これは、
比較例の電池Bに用いたLiMn2O4では電気化学的
に不活性なLi2Mn0.が含まれるため放電容量が少
なくなり、また、充放電サイクルでの放電容量減少の度
合が大きいMnO7が混在するためである。さらに、比
較例の電池Bにおいて、サイクル寿命が約130サイク
ルと短いのは、混在するLi2Mn0. 、 MnO2
が電解液中に含まれる微量の水分によって溶出し、リチ
ウム負極を腐食するためである。以上のような比較例の
電池Bの特性に比べ1本発明の電池人は、放電容量、各
サイクルでの容量減少の度合。
サイクルでの放電容量をプロットした図である。第4図
より、比較例の電池Bでは、本発明の電池人に比べて、
各サイクルでの放電容量が少なく、充放電サイクルでの
放電容量の減少の度合も大きいことがわかる。これは、
比較例の電池Bに用いたLiMn2O4では電気化学的
に不活性なLi2Mn0.が含まれるため放電容量が少
なくなり、また、充放電サイクルでの放電容量減少の度
合が大きいMnO7が混在するためである。さらに、比
較例の電池Bにおいて、サイクル寿命が約130サイク
ルと短いのは、混在するLi2Mn0. 、 MnO2
が電解液中に含まれる微量の水分によって溶出し、リチ
ウム負極を腐食するためである。以上のような比較例の
電池Bの特性に比べ1本発明の電池人は、放電容量、各
サイクルでの容量減少の度合。
サイクル寿命のいずれにおいても優れることがわかる。
実施例2
実施例1で本発明のLiMn2O4を得る過程で、種々
の結晶形態のMnO2を用いたほかは、扁平型電池の溝
底、充放電試験条件は同様にして行った。
の結晶形態のMnO2を用いたほかは、扁平型電池の溝
底、充放電試験条件は同様にして行った。
(以下余 白)
表1は、種々の結晶形態のMnO2を用いてLiMn
2O4を作製した場合の、1oサイクル目での放電容量
、及びγ型MnO2を用いて作製したLiMn 2O4
の放電容量を100とした時の容量比率を記載したもの
である。表1より、Liとの反応の活性度が小さいα型
やβ型のMnO2を用いて作製したLiMn 2O4で
は放電容量が少ないことがわかる。δ型のMnO2を用
いて作iRしたLiMn2O4において放電容量が少な
いのは、加熱によってδ型MnO2は容易に活性度の小
さいβ型MnO2に転移するためと考えられる。以上の
ことから、リチウム化合物とMnO2を反応させLiM
n2O4を得る場合、MnO□の結晶形態はγ型が特に
優れることがわかる。
2O4を作製した場合の、1oサイクル目での放電容量
、及びγ型MnO2を用いて作製したLiMn 2O4
の放電容量を100とした時の容量比率を記載したもの
である。表1より、Liとの反応の活性度が小さいα型
やβ型のMnO2を用いて作製したLiMn 2O4で
は放電容量が少ないことがわかる。δ型のMnO2を用
いて作iRしたLiMn2O4において放電容量が少な
いのは、加熱によってδ型MnO2は容易に活性度の小
さいβ型MnO2に転移するためと考えられる。以上の
ことから、リチウム化合物とMnO2を反応させLiM
n2O4を得る場合、MnO□の結晶形態はγ型が特に
優れることがわかる。
実施例3
実施例1で本発明のLiMn2O4を得る過程で、Li
OH−H2OとM n O2の混合比率を変えたほかは
、扁平型電池の構成、充放電条件は同様にして行った。
OH−H2OとM n O2の混合比率を変えたほかは
、扁平型電池の構成、充放電条件は同様にして行った。
第6図は、Li/Mn原子比(LiOH−H2OとMn
O□の混合比率)に対する生成物の1oサイクル目での
放電容量、及び、Li/Mn原子比に対する電池のサイ
クル劣化率をプロットした図である。また、各Li/M
n原子比における生成物のX線回折分析結果も示した。
O□の混合比率)に対する生成物の1oサイクル目での
放電容量、及び、Li/Mn原子比に対する電池のサイ
クル劣化率をプロットした図である。また、各Li/M
n原子比における生成物のX線回折分析結果も示した。
ここで、サイクル劣化率は次式によって計算した。
サイクル劣化率=
10サイクル目の放電容量10サイクル目の放電容量1
0サイクル目の放電容量X10 ×10o ・・・・・・
(2)第6図より、Li/Mn原子比が377未満のと
きは、放電容量が大きいものの、サイクル劣化率が極め
て悪くなる。これは、サイクル劣化率の大きいMnO□
が混在するためでaる。さらに、第6図より、Li/M
n原子比が4/6を超えると、サイクル劣化率は小さく
良好であるが、放電容量が著しく減少する。以上のこと
から、放電容量が大きく、サイクル劣化率が小さい領域
は、MnO2やLi2MnO3が混在しない領域であり
、Li / Mn原子比では3/7〜4/6である。こ
こで、4/6(=o、667)という値は、 Li2C
o、とMnO□テはLi/Mn原子比が0.7でLi
2Mn0 、やMnO2の混在が認められないLiMn
2O4が生成する(英国公開公報GB2196785人
及び本出願明細書中の実施例1における比較例参照)の
に対して、5%もLi/Mn原子比が小さく、また、3
/7(==0.429)という値はLiMn2O4の組
成よシ与えられるLi/Mn原子比二〇、6よシも14
%小さい。すなわち、本発明のLiMn 2O4の製造
法を用いれば、従来より少ないLi/Mn原子比のリチ
ウム化合物/ Mn O2混合比で、しかも、低温でL
iMn2O4を作製することができるという特徴がある
。
0サイクル目の放電容量X10 ×10o ・・・・・・
(2)第6図より、Li/Mn原子比が377未満のと
きは、放電容量が大きいものの、サイクル劣化率が極め
て悪くなる。これは、サイクル劣化率の大きいMnO□
が混在するためでaる。さらに、第6図より、Li/M
n原子比が4/6を超えると、サイクル劣化率は小さく
良好であるが、放電容量が著しく減少する。以上のこと
から、放電容量が大きく、サイクル劣化率が小さい領域
は、MnO2やLi2MnO3が混在しない領域であり
、Li / Mn原子比では3/7〜4/6である。こ
こで、4/6(=o、667)という値は、 Li2C
o、とMnO□テはLi/Mn原子比が0.7でLi
2Mn0 、やMnO2の混在が認められないLiMn
2O4が生成する(英国公開公報GB2196785人
及び本出願明細書中の実施例1における比較例参照)の
に対して、5%もLi/Mn原子比が小さく、また、3
/7(==0.429)という値はLiMn2O4の組
成よシ与えられるLi/Mn原子比二〇、6よシも14
%小さい。すなわち、本発明のLiMn 2O4の製造
法を用いれば、従来より少ないLi/Mn原子比のリチ
ウム化合物/ Mn O2混合比で、しかも、低温でL
iMn2O4を作製することができるという特徴がある
。
実施例4
実施例1で本発明のLiMn2O4を得る過程で、加熱
温度を変化させたほかは、扁平型電池の構成。
温度を変化させたほかは、扁平型電池の構成。
充放電試験条件は同様にして行った。
第6図は、加熱温度を変化させて得られたLiMn2O
4において、加熱温度に対する結晶格子定数a、及び、
加熱温度に対するサイクル劣化率をプロットした図であ
る。ここで、結晶格子定数aは、X線回折指数(111
)の面間隔から式(1)を用いて算出し、サイクル劣化
率は式(2)によって計算した。
4において、加熱温度に対する結晶格子定数a、及び、
加熱温度に対するサイクル劣化率をプロットした図であ
る。ここで、結晶格子定数aは、X線回折指数(111
)の面間隔から式(1)を用いて算出し、サイクル劣化
率は式(2)によって計算した。
第6図より、加熱温度に対する結晶格子定数aは、加熱
温度が610℃を超えると急激に増力口し、一定値8.
248八になる。これに対応して、サイクル劣化率も著
しく増加する。この理由は、加熱温度が610℃を超え
る範囲で得たLiMn 2O4では、充放電過程での結
晶格子の膨張、収縮の度合が大きく、導電剤であるカー
ボンブラック粒子との分離による集電不良のため、サイ
クル劣化率が大きいのである。第6図より、サイクル劣
化率が十分に小さいためには、結晶格子定数aが8.2
2Å以下でなければならないことがわかる。一方、加熱
温度が430℃以下の領域では、結晶格子定数aが8.
22人よりも十分に小さいにもかかわらず、サイクル劣
化率は上昇している。これは、この温度領域では、Li
OH−H2OとMnO2の反応が速やかに進まず、Li
Mn2O.のほかに、Li 2Mn0 、 。
温度が610℃を超えると急激に増力口し、一定値8.
248八になる。これに対応して、サイクル劣化率も著
しく増加する。この理由は、加熱温度が610℃を超え
る範囲で得たLiMn 2O4では、充放電過程での結
晶格子の膨張、収縮の度合が大きく、導電剤であるカー
ボンブラック粒子との分離による集電不良のため、サイ
クル劣化率が大きいのである。第6図より、サイクル劣
化率が十分に小さいためには、結晶格子定数aが8.2
2Å以下でなければならないことがわかる。一方、加熱
温度が430℃以下の領域では、結晶格子定数aが8.
22人よりも十分に小さいにもかかわらず、サイクル劣
化率は上昇している。これは、この温度領域では、Li
OH−H2OとMnO2の反応が速やかに進まず、Li
Mn2O.のほかに、Li 2Mn0 、 。
MnO2が混在するようになるからである。
以上のように、結晶格子定数aが8.22Å以下で、L
i 2Mn0 、やMnO2の混在しなイLiMn2O
4を得るためには、加熱温度を430℃〜510’Cの
間に設定することが望ましい。
i 2Mn0 、やMnO2の混在しなイLiMn2O
4を得るためには、加熱温度を430℃〜510’Cの
間に設定することが望ましい。
実施例5
実施例1で本発明のLiMn 2O4を得る過程で、リ
チウム化合物を、Li2O、LiOH、LiOH−H2
O。
チウム化合物を、Li2O、LiOH、LiOH−H2
O。
Li3MnO4,Li2Mn0.、LiMnO2より少
なくとも1種選択し、単独または混合物として用いるほ
かは、扁平型電池の構成、充放電試験条件は同様にして
行った。
なくとも1種選択し、単独または混合物として用いるほ
かは、扁平型電池の構成、充放電試験条件は同様にして
行った。
(以下余 白)
表2は、各種のリチウム化合物または混合物と、γ型M
nO2を用いて、結晶格子定数aが8.22Å以下で、
Li 2Mn05やMnO2の混在の少ないL x M
n 2O aを作製する条件を記載したものであり、
さらに、作製したLiMn 2O4を使用した電池の充
放電サイクル寿命(放電容量が初期容量の半分となった
ときのサイクル数)を記載した。
nO2を用いて、結晶格子定数aが8.22Å以下で、
Li 2Mn05やMnO2の混在の少ないL x M
n 2O aを作製する条件を記載したものであり、
さらに、作製したLiMn 2O4を使用した電池の充
放電サイクル寿命(放電容量が初期容量の半分となった
ときのサイクル数)を記載した。
表2より、リチウム化合物がリチウム酸化物またはリチ
ウム水酸化物の場合には、リチウム化合物とMnO□の
混合比はLi/Mn原子比で3/7〜4/6、加熱温度
範囲は430℃〜510℃であることがわかる。リチウ
ム化合物に、リチウム・マンガン酸化物が含まれる場合
、Li/Mn原子比の上限は3.6 / 8.6とリチ
ウム酸化物または水酸化物に比べやや低くなシ、また、
加熱温度の下限が概ね460℃と高くなる。この理由は
、リチウム・マンガン酸化物では、リチウム酸化物また
は水酸化物に比べ2Liを放出しにくいためである。
ウム水酸化物の場合には、リチウム化合物とMnO□の
混合比はLi/Mn原子比で3/7〜4/6、加熱温度
範囲は430℃〜510℃であることがわかる。リチウ
ム化合物に、リチウム・マンガン酸化物が含まれる場合
、Li/Mn原子比の上限は3.6 / 8.6とリチ
ウム酸化物または水酸化物に比べやや低くなシ、また、
加熱温度の下限が概ね460℃と高くなる。この理由は
、リチウム・マンガン酸化物では、リチウム酸化物また
は水酸化物に比べ2Liを放出しにくいためである。
さらに、リチウム・マンガン酸化物を用いて作製した電
池のサイクル寿命がやや短くなっているのは、X線回折
分析では認められない程度のLi 2Mn05をはじめ
とするリチウム・マンガン酸化物が残留しており、電解
液中に含まれる微量の水分によって溶出し、リチウム負
極を腐食するためと考えられる。
池のサイクル寿命がやや短くなっているのは、X線回折
分析では認められない程度のLi 2Mn05をはじめ
とするリチウム・マンガン酸化物が残留しており、電解
液中に含まれる微量の水分によって溶出し、リチウム負
極を腐食するためと考えられる。
なお、表2の条件で得られたLiMn 2O4において
、X線回折指数(311)の回折ピークの半値全幅は、
FeKa線換算でいずれも1.1°未満であって、英
国公開公報GB2196785人に開示されたLiMn
2O4よシ結晶性が高く、電解液中の水分による溶出が
困難であり、したがってリチウム負極の腐食が少ないの
で、充放電サイクル寿命が長くなるという利点がある。
、X線回折指数(311)の回折ピークの半値全幅は、
FeKa線換算でいずれも1.1°未満であって、英
国公開公報GB2196785人に開示されたLiMn
2O4よシ結晶性が高く、電解液中の水分による溶出が
困難であり、したがってリチウム負極の腐食が少ないの
で、充放電サイクル寿命が長くなるという利点がある。
実施例6
リチウム化合物とγ型MnO2を混合する過程で、水の
添加の有無のほかは、実施例1と同様にしてLiMn2
O4の作製、扁平型電池の構成、充放電試験を行った。
添加の有無のほかは、実施例1と同様にしてLiMn2
O4の作製、扁平型電池の構成、充放電試験を行った。
表3において、リチウム化合物とr型MnO,、の混合
比は、Li/Mn原子比でいずれも1/2であシ、加熱
温度は470℃である。
比は、Li/Mn原子比でいずれも1/2であシ、加熱
温度は470℃である。
表3よシ、いずれのリチウム化合物を用いても、γ型M
nO2との混練時にH2Oを添加する方が、添加しない
場合に比べ放電容量が6〜10%程度増加しており、特
に、リチウム・マンガン酸化物。
nO2との混練時にH2Oを添加する方が、添加しない
場合に比べ放電容量が6〜10%程度増加しており、特
に、リチウム・マンガン酸化物。
リチウム酸化物において顕著であることがわかる。
この理由は、混練時に添加した1(2Oによって、溶解
度は小さいものの、これらのリチウム・マンガン酸化物
は溶出し、MnO□粒子を覆うことになるため、均一に
LiMn2O4が生成し、電気化学的に不活性なLi、
MnO,が混在しなくなるからである。
度は小さいものの、これらのリチウム・マンガン酸化物
は溶出し、MnO□粒子を覆うことになるため、均一に
LiMn2O4が生成し、電気化学的に不活性なLi、
MnO,が混在しなくなるからである。
実施例7
実施例6と同様に、種々のリチウム化合物とγ型MnO
2とH2Oを混練し、加熱してLiMn2O4を得た。
2とH2Oを混練し、加熱してLiMn2O4を得た。
このようにして得たLiMn2O430,0OOfをイ
オン交換水400肩を中に投入、攪拌し、4 NH2S
o 、溶液を溶液相中のpHが約5に落ち着くまで滴下
した。次に、この酸性LiMn2O4溶液をr過し、洗
浄後の廃液のpHが6〜7になるまでLiMn2O4を
くシ返しイオン交換水で洗浄した。
オン交換水400肩を中に投入、攪拌し、4 NH2S
o 、溶液を溶液相中のpHが約5に落ち着くまで滴下
した。次に、この酸性LiMn2O4溶液をr過し、洗
浄後の廃液のpHが6〜7になるまでLiMn2O4を
くシ返しイオン交換水で洗浄した。
電池の構成及び充放電試験は実施例1と同様にして行っ
た。
た。
−(以下余 白)
表4は、各リチウム化合物から得たLiMn 2O4の
酸性溶液処理前後における10サイクル目の放電容量を
記載したものである。これより、酸性溶液で処理したL
iMn2O4は、処理前のLiMn 、O。
酸性溶液処理前後における10サイクル目の放電容量を
記載したものである。これより、酸性溶液で処理したL
iMn2O4は、処理前のLiMn 、O。
に比べ放電容量が増加しており、約5.7 mAhの一
定値になっている。これは、リチウム化合物とMnO2
の加熱によって得たLiMn 2O4中には、X線回折
分析では認められない程度の少量のL x 2 M n
OsやLiOH等のリチウム化合物が残留しており、
酸処理によって除去されるためである。
定値になっている。これは、リチウム化合物とMnO2
の加熱によって得たLiMn 2O4中には、X線回折
分析では認められない程度の少量のL x 2 M n
OsやLiOH等のリチウム化合物が残留しており、
酸処理によって除去されるためである。
また、表4には記載していないが、酸性溶液で処理した
LiMn 2O4にはLi 2Mn0 、が残留してい
ないため、全般に、電池のサイクル寿命が処理しないL
iMn2O4に比べ延びるという効果があった。
LiMn 2O4にはLi 2Mn0 、が残留してい
ないため、全般に、電池のサイクル寿命が処理しないL
iMn2O4に比べ延びるという効果があった。
第7図は、リチウム化合物としてLion−H2Oを用
いたLiMn2O4を処理する酸性溶液相中のpHに対
して電池のサイクル寿命、及び、処理して得られたリチ
ウム・マンガン酸化物中の水分量をプロットした図であ
る。ここで、酸性溶液で処理した後のLiMn2O4を
リチウム・マンガン酸化物と記した理由は、pHの低い
酸性溶液相中で処理したLiMn、、04は、 LiM
n2O4粒子内からLiが放出されておυ、単純な組成
式で表わせないためである。
いたLiMn2O4を処理する酸性溶液相中のpHに対
して電池のサイクル寿命、及び、処理して得られたリチ
ウム・マンガン酸化物中の水分量をプロットした図であ
る。ここで、酸性溶液で処理した後のLiMn2O4を
リチウム・マンガン酸化物と記した理由は、pHの低い
酸性溶液相中で処理したLiMn、、04は、 LiM
n2O4粒子内からLiが放出されておυ、単純な組成
式で表わせないためである。
第7図から、酸性溶液相中のpHが4未満では電池のサ
イクル寿命は短いことがわかる。これは、第7図より明
らかなように、pHが4未満では処理して得られたリチ
ウム・マンガン酸化物中の水分量が急激に増加し、この
水分がリチウム負極を腐食するためである。以上のこと
から、LiMn2O4を処理する酸性溶液相中のpHは
4以上でなければならない。
イクル寿命は短いことがわかる。これは、第7図より明
らかなように、pHが4未満では処理して得られたリチ
ウム・マンガン酸化物中の水分量が急激に増加し、この
水分がリチウム負極を腐食するためである。以上のこと
から、LiMn2O4を処理する酸性溶液相中のpHは
4以上でなければならない。
なお、第7図では、リチウム化合物としてLiOH−H
2Oを用いたLiMn 2O4にライて述べたが、他の
リチウム化合物を用いて得られたLiMn2O4におい
ても同様な結果であった。さらに、本実施例では、酸と
してH2SO4を使用したが、他の酸、例えば、HC(
1、H2WO4,CH3CO0H等を用いても同様な効
果を得る。
2Oを用いたLiMn 2O4にライて述べたが、他の
リチウム化合物を用いて得られたLiMn2O4におい
ても同様な結果であった。さらに、本実施例では、酸と
してH2SO4を使用したが、他の酸、例えば、HC(
1、H2WO4,CH3CO0H等を用いても同様な効
果を得る。
発明の効果
以上のように、本発明の非水電解質二次電池は、結晶格
子定数aが8.22Å以下のLiMn2O4を正極活物
質として用いるため、充放電サイクルでの容量減少の小
さい信頼性の高い非水電解質二次電池が得られる°。ま
た、本発明のLiMn 2O4の製造法により、Li2
Mn0.やMnO□の混在が少ないLiMn2O4を得
、リチウム負極の腐食が抑制され、電池のサイクル寿命
が長くなるLiMn2O.が得られる。
子定数aが8.22Å以下のLiMn2O4を正極活物
質として用いるため、充放電サイクルでの容量減少の小
さい信頼性の高い非水電解質二次電池が得られる°。ま
た、本発明のLiMn 2O4の製造法により、Li2
Mn0.やMnO□の混在が少ないLiMn2O4を得
、リチウム負極の腐食が抑制され、電池のサイクル寿命
が長くなるLiMn2O.が得られる。
第1図は本発明の一実施例における正極活物質であるL
iMn 2,04のX線回折図、第2図は比較例におけ
る正極活物質であるLi2MnO3及びMnO2の混在
したLiMn 2O4のX線回折図、第3図は本発明の
一実施例及び比較例に用いた扁平型電池の断面図、第4
図は本発明の電池人及び比較例の電池Bにおける各サイ
クルでの放電容量をプロットした図、第5図はLi /
Mn原子比(リチウム化合物/ MnO□混合比)に
対して放電容量及びサイクル劣化率をプロットした図、
第6図はリチウム化合物・MnO2混合物の加熱温度に
対する生成LiMn2O4の結晶格子定数a及びサイク
ル劣化率をプロットした図、第7図はLiMn2O4処
理溶液相中のpHに対して電池のサイクル寿命及びリチ
ウム・マンガン酸化物中の水分量をプロットした図であ
る。 1・・・・・・正極集電体、2・・・・・・電池ケース
、3・・・・・・正極、4・・・・・・負極、6・・・
・・・負極集電体、6・・・・・・封口板、7・・・・
・・セパレータ、8・・・・・・ガスケット。 代理人の氏名 弁理士 粟 野 重 孝 ほか1名侶 SJフ 区 SJり 方に誓ヒ庫良t (mハんう 6J 令 サイグル、劣イ巳率
iMn 2,04のX線回折図、第2図は比較例におけ
る正極活物質であるLi2MnO3及びMnO2の混在
したLiMn 2O4のX線回折図、第3図は本発明の
一実施例及び比較例に用いた扁平型電池の断面図、第4
図は本発明の電池人及び比較例の電池Bにおける各サイ
クルでの放電容量をプロットした図、第5図はLi /
Mn原子比(リチウム化合物/ MnO□混合比)に
対して放電容量及びサイクル劣化率をプロットした図、
第6図はリチウム化合物・MnO2混合物の加熱温度に
対する生成LiMn2O4の結晶格子定数a及びサイク
ル劣化率をプロットした図、第7図はLiMn2O4処
理溶液相中のpHに対して電池のサイクル寿命及びリチ
ウム・マンガン酸化物中の水分量をプロットした図であ
る。 1・・・・・・正極集電体、2・・・・・・電池ケース
、3・・・・・・正極、4・・・・・・負極、6・・・
・・・負極集電体、6・・・・・・封口板、7・・・・
・・セパレータ、8・・・・・・ガスケット。 代理人の氏名 弁理士 粟 野 重 孝 ほか1名侶 SJフ 区 SJり 方に誓ヒ庫良t (mハんう 6J 令 サイグル、劣イ巳率
Claims (4)
- (1)正極と、リチウムイオン導伝性の非水電解質と、
リチウムまたはリチウム合金からなる負極を構成要素と
する電池であって、前記正極は、結晶の格子定数aが8
.22Å以下のLiMn_2O_4であることを特徴と
する非水電解質二次電池。 - (2)Li_2O、LiOH、LiOH−H_2O、L
i_3MnO_4Li_2MnO_3、LiMnO_2
より選択される少なくとも1種のリチウム化合物と、γ
型MnO_2をLi/Mn原子比で3/7〜4/6の範
囲で混合し、430℃〜510℃の間の温度で加熱する
ことにより、特許請求の範囲第1項記載のLiMn_2
O_4を得ることを特徴とする正極活物質の製造法。 - (3)特許請求の範囲第2項記載の正極活物質を製造す
る過程において、リチウム化合物と、γ型MnO_2と
、水を混練し、加熱することを特徴とする正極活物質の
製造法。 - (4)生成LiMn_2O_4をpH4以上の酸性溶液
相中で処理することを特徴とする特許請求の範囲第2項
又は第3項記載の正極活物質の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63291161A JPH0824043B2 (ja) | 1988-11-17 | 1988-11-17 | 非水電解質二次電池とその正極活物質の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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