JPH0255229A - ベータ二酸化マンガンの製造方法 - Google Patents
ベータ二酸化マンガンの製造方法Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
。具体的には、本発明はガンマ二酸化マンガンを非常に
短時間にベータ結晶相に変換(convert) L、
上記ベータ二酸化マンガンを非水系電池(non−aq
ueous)における正極活物質(cathode a
ctive material)として使用する方法に
関する。
酸化マンガンを製造する場合、一般的には電解液の水性
方法を用いる。ガンマ二酸化マンガンをリチウム電池の
正極物質として使用できる前は、二酸化マンガンを加熱
して水を除去し、結晶構造をガンマ相からベータ優勢用
に変換せねばならないことは古くから知られている。米
国特許第4133856号及び第4297231号は、
二酸化マンガンを250℃乃至430℃の温度範囲で2
時間以上加熱することにより、水を除去し、ベータ結晶
相に変換することを開示している。製造業者の中には、
20時間もの熱処理を行なっている者もある(参照”8
. Lithium−Mangar+ese Diox
ide Ce1fs″ by H,Ikeda、Li
thium Batteries、ed、J。
(New York、1988))。
er oxides)となるため、これまでは、450
9C以下の温度で処理せねばならないとされていた。こ
れを裏付けるものとして、米国特許第4133856号
は、430℃以上で熱処理を行なうとM n 203が
生じ、二酸化マンガンを電池の正極として使用したとき
、このMn20.が悪影響を及ぼすことを開示している
。この米国特許の第1図及ぶ第2図には、熱処理温度の
利用度は、375℃以上では低くなることを示している
。
が長すぎるため、大量生産できない問題がある。従来の
方法では必要量を生産するために多くのオーブンを準備
しなければならない。このため、数時間を要する従来の
熱処理時間の短縮化が要請されている。
ータ変換」なる用語は、ガンマ二酸化マンガンが100
%ベータに変換したことを意味するものでなく、二酸化
マンガンの熱処理によってガンマ結晶相の大部分がベー
タ結晶相に変換したことを意味するものであると理解す
べきである。後記する如く、二酸化マンガンは100%
ベータよりも少ないことが望ましい。従って、本明細書
の中における「ベータ二酸化マンガン」は実際には、ガ
ンマとベータの「混合(mix)Jである。
電池に使用したとき、従来法の熱処理によった二酸化マ
ンガンと略同じ性能をもつベータ二酸化マンガンを得る
ことのできる方法を提供することを目的とする。
提供することを更に目的とする。
に悪影響を及ぼすことはないという知見に基づくもので
ある。これは、この温度域では、二酸化マンガンのガン
マからベータへの変換速度が二酸化マンガンの低酸化物
への分解速度よりもはるかに速いためである。従って、
本発明によれば、粒状二酸化マンガンを450℃以上に
て1時間以内の加熱によって、ガンマMn島をベータに
変換することができ、このときの二酸化マンガンの分解
も最少限度に抑えられる。
の昇温時間、、、tr (2)熱処理温度での加熱時間、、、 t h<3)
MnO2を熱処理温度から室温まで冷却する降温時間、
、tc 熱処理のトータル時間を短縮するには、trとtcの時
間を短くすることが重要である。このように、thが熱
処理工程全体の律速時間となる。
できる。trの時間を短縮するためには、加熱炉からM
nO2粉末の個々の粒子への熱伝達効率を高める必要が
ある。更に又、均一なベータ変換を行なえるようにする
ためには、MnO2の塊全体を均一に加熱せねばならな
い。本発明の方法は、MnO。
又はロータリードライヤーとしても知られている)の中
を通過させることに行なうから、非常に短時間でしかも
均一加熱を達成できる。
明する。
外表面の一部に隣接して発熱体を設けたものである。管
は粉末を装入する端部から、粉末を装出する端部にかけ
て下向きに傾いている。粉末は一方の端部から連続的に
供給され、ゆっくりと回転している管の長手方向に向け
て転がり進む。
面と接触する粒子は常に変わる。従って、粉末に対する
熱効率を非常に向上させることができる。このためtr
は非常に短くなる。粉末が一旦熱処理温度に到達すると
、残りの加熱ゾーンの中をthに相当する時間をかけて
転がりながら通過する。次に、粉末は冷却ゾーンの中を
通過し、管から装出される。
ための熱処理に適した回転式管炉として、ハーバ−エレ
クトリック ファーネス社にューヨーク州ランカスター
)製のものを例示することができる。回転式管炉の管は
ステンレス鋼から作られ、長さ約11.5フィート、直
径約7インチである。管の内面は滑らかに形成する必要
がある。管は0〜5度の範囲内で傾けることができる。
化マンガンの通過時間は管の傾斜角度と回転速度によっ
て求められる。炉は独立した加熱ゾーンが3つ連続して
形成されており、各ゾーンの長さは2フイートである。
としている。従って、最終ゾーンは管の入口部から8フ
イ一ト下流位置が終端となる。管の出口までの残り3.
5フイートは冷却ゾーンとなる。
を下記の実験に基づいて説明する。熱処理温度は、40
0℃、450℃及び500℃の3種類について実施した
。各熱処理は次の要領にて行なった。
ンガンは0.6ポンド/分の割合にて管に供給した。管
の傾斜角度は1度とし、回転速度は3 RPMとした。
た。炉を室温から立ち上げる場合、いわゆる定常状態(
steady 5tate condition)に達
するまで、一般的には2〜3時間要する。これは、発熱
体、管及び二酸化マンガンの間で熱平衡に達したと考え
られる状態である。熱電対を管の長手方向に沿って2フ
イート毎に設けているから、二酸化マンガンの粉末が管
の中を通過する際、熱電対は二酸化マンガンによって埋
まる。各熱電対の温度変動がなくなった時が前述の定常
状態である。
ける管の長手方向の温度分布を示す。分析に必要な十分
の材料を集めるために、各熱処理は定常状態に到達後、
約2時間かけて行なった。第1図に示す如く、管の下流
側6フイート位置と8フイ一ト位置の間にある第3ゾー
ンが熱処理温度に到達している。従って、二酸化マンガ
ンは各処理温度の最高加熱温度にて約10分間加熱され
る。
始するものと考えられている。第1表は、この温度以上
での加熱時間が10分よりも長いことを示している。第
1表は3種類の熱処理温度についての時間を示している
。
0℃以上の時間 13 19 24最高温度
での時間 to 10 10%ベータ
40 60 87第1表に示されるよ
うに、加熱ゾーンの温度が高くなるほど、ベータ変換温
度(350℃)に達するまでの昇温時間は速くなる。そ
の結果、同じ材料を1より低い温度にて処理した場合と
比較して、ベータ変換温度以上での時間も長くなる。従
って、加熱ゾーンの温度を450℃以上に保持すること
により、熱処理のトータル時間を短縮することができる
。もし、500℃以上の温度で加熱する場合、熱処理時
間に十分留意し、マンガンの低級酸化物が形成されない
ように短時間で行なわねばならない。500℃で60分
間熱処理した後、X線分析したところ、低酸化物の形成
は認められなかったが、105分間の熱処理では、低酸
化物の存在が認められた。図は、更に又、二酸化マンガ
ンが加熱ゾーンの温度に達しなかったことも示している
。従って、所定の熱処理温度に達するようにするには、
所定の熱処理温度よりも若干高い温度に設定する必要が
ある。
料を分析し、ベータ変換%を求めた。この分析はX線回
折を用い、次の要領にて行なった。各粉末の試料を採取
し、Cu Kα放射線を用いてX線回折パターンを求め
た。次に、試料とシンチレーション検出器との間にモノ
クロメータを置き、蛍光放射線を取り除く。110反射
線(reflection)を試料に当てて反射カウン
ト数を求め、100%ベータの標準試料の反射カウント
数と比較することにより、ベータ変換率を求めた。カウ
ント数の比が、試料のベータ変換%を示す。
の性能を発揮できるようにするためには、ベータ%は6
0%以上で、且つ90%より少なくすべきである。この
範囲から外れた二酸化マンガンを使用すると、当該範囲
内にあるものと比べて、正極のユーティライゼーション
(utilization)は劣る。ベータ%は約65
〜85%の範囲内にあることが望ましい。第1表は3種
類の温度におけるベータ変換率を示している。各数値は
、同じ処理条件によって得たものから3つの試料を採取
し、それら試料の平均値を示している。この結果から、
加熱ゾーンを450℃に設定した場合、ガンマ結晶相の
二酸化マンガンを約60%のベータ二酸化マンガンに変
換するために必要なthは約19分であることがわかる
。二酸化マンガンの変化量がこの数値であるとき、非水
系電池の正極活物質としての使用に適している。加熱温
度が400℃のとき、従来のように長時間かけて行なう
熱処理法には適しているが、本発明のように短時間で行
なう熱処理の場合、ベータ変換率は約40%程度であり
、適当ではない。
従来の処理時間よりも短い時間で大量のガンマ二酸化マ
ンガンをベータ相に連続的に変換できることにある。次
に処理時間を48時間に延ばしたときの望ましい実施例
を示す。各加熱ゾーンは475℃に設定した。管の角度
は1度、管の回転速度は3 RPMとした。被加熱物の
供給速度は0.6ポンド/分であり、管全長の通過時間
は55分であった。定常状態に達するまでに要した時間
は約2時間であった。この時間に集められた二酸化マン
ガンは全てスクラップにした。次に連続46時間の熱処
理を行ない、試料を定期的に採取した。熱電対は管の長
平方向に2フイート毎に設置した。二酸化マンガンの温
度分布を第2図に示す。加熱温度は最高約470℃に達
し、二酸化マンガンは450〜470℃の範囲で約10
分間、加熱されたことになる。
ンを収集した。この処理を通じて得られた試料のベータ
変換率は平均的80%であった。MnOxのXは、マン
ガンの酸化状態を示している。ガンマ二酸化マンガンの
X値は、熱処理面は他種のマンガンが存在するため、x
= 1.95である。本発明に基づいて調製した材料
を化学分析によってXの値を求めた。Xの値が1,95
のとき、二酸化マンガンの分解は起こっていないことを
示す。比較のために、従来のバッチ法で350℃に加熱
したところ、24時間の熱処理にて、約75%ベータの
二酸化マンガンが190ポンド得られた。一方、本発明
の場合、前述したように、同じ処理時間で得られた謎は
864ポンドであった。このように、正極に適した品質
のベータマンガンを製造する場合、本発明の上記の条件
によると、従来法に比べて約4倍の生産量を達成できる
。なお、本発明の場合、450℃以上の温度では、th
を短くできるので、生産量を更に増すことかできる。
のX線回折パターン、第3B図は従来の方法によって熱
処理した二酸化マンガンのX線回折パターンを夫々示す
。回折パターンはCu Kα放射線を用い、角度2θを
15〜40度走査することにより求めた。ベータ相の格
子空間が110反射位置となる。従来法では81%ベー
タであったの対し、本発明の方法では82%ベータであ
った。回折パターンは、本発明法のものと従来法のもの
と実質的に同じである。約33度にて反射が認められな
いのは、有害な低級酸化物が存在しないことを示してい
る。
よりも長くすることにより、ベータ変換率を向上させる
ことができる。しかしながら、前述した熱処理温度の場
合、ベータ変換の大部分は初めの10分間にて行なわれ
ている。例えば、熱処理温度が450℃の場合、ベータ
変換率は初めの10分間で約60%であるのに対し、ト
ータルで90分間加熱しても約65%までしか上昇しな
い。このように、低温で長時間加熱するよりも、高温で
短時間加熱する方が、ベータ変換は促進される。本発明
の場合、450℃以上の温度で最長1時間まで二酸化マ
ンガンを加熱することができるが、450℃以上の温度
での加熱時間は30分以内にすることが望ましい。
、trを最短にすることが望ましい。前述した熱処理で
は、trの時間は1時間未満であった。たとえこの時間
が1時間以上であっても、このときの加熱温度では低級
酸化物が形成される訳ではないので、最終的に生成され
る二酸化マンガンに悪影響を及ぼすことはない。しかし
ながら、二酸化マンガンの生産量を最大にするためには
、trの時間は1時間を超えないようにすることが望ま
しい。
後、従来の要領にて正極を作ることができる。例えば、
熱処理後の二酸化マンガンを導電剤及び結合剤と混合す
る。次にその混合物を所望の構造の正極に形成する。ボ
タン型電池の場合、混合物を円盤状にプレスし、その円
盤体をボタン型電池の正極缶にプレスすることにより正
極を成形する。スパイラル状に巻き付けた電池の場合、
導電金属グリッドの両側に混合物を塗布し、ローラとロ
ーラの間に圧縮して密着させる。正極を長く薄く形成す
ることにより、その正極を負極(an。
ことができる。
従来から使用されているものであればどれでも使用する
ことができ、例えば、アセチレンブラックやカーボンブ
ラックがある。又、結合剤についても、非水系電池の二
酸化マンガンの陽極用として使用され、十分な結合特性
を発揮できるものであればどれを使用してもよい。適当
な結合剤として、ポリテトラフルオロエチレン、テトラ
フルオルエチレン/ヘキサフルオロエチレン共重合体、
テトラフルオロエチレン/エチレン/クロロトリフルオ
ロエチレン共重合体がある。
ていた水分を除去する。この熱処理は、一般的には、1
50〜300℃の範囲にて、乾燥雰囲気中又は真空中に
て行なう。この熱処理の後、正極を電池に組み込む。
1%、カーボン6%、ポリテトラフルオロエチレン3%
である。エキスバンド・ステンレス・スチール・グリッ
ドの両側をこの混合物で被覆し、次に被覆したグリッド
をローラとローラの間にて圧縮する。このように成形し
た正極を真空中にて200℃の温度にて熱処理する。次
に、乾式正極は、リチマクムフォイルの負極と、細孔(
microporous)ポリプロピレンのセパレータ
と共にスパイラル状に巻きつける。スパイラル状に巻い
た電極スタックを円筒状の缶内に挿入する。次に、公知
の電解質を缶内に配備し、蓋体を適当な位置でクリンプ
する。各電極にはタブを取り付ける。一方のタブは缶に
、他方のタブは蓋体に繋ぐ。このようにして、缶と蓋体
は電極端子として機能することができる。
ンを正極活剤として含有する電池は、従来法の熱処理に
よって得られた二酸化マンガンを含む電池と比べても、
路間等の電気的放電特性を具備している。このように、
本発明のように急速加熱を行なっても、二酸化マンガン
の電気化学特性に悪影響を及ぼすことはない。
変更を加えることができる。例えば、ガンマ二酸化マン
ガンを回転式管炉へ装入する前、予め300℃以下の温
度にて予熱することもできる。
短縮し、生産量を向上させる効果がある。
、二酸化マンガンの予熱に利用すれば、エネルギー効率
を一層高めることができる。更に又、冷却ゾーンの熱除
去を効果的に行なうことにより、全体の処理時間を短縮
させることにもなる。
度、回転速度及び管内での滞留時間との間には次のよう
な関係がある。
ここで、Tは通過時間、Kは定数、Lは管の長さ、Rは
回転数(RPM)、Aは管の角度である。なお、前述の
実施例では、管の角度は1度、回転数は3RPMとした
が、他の条件を用いても同じ滞留時間にすることができ
る。又、滞留時間を変えることもできる。上記の回転式
管炉の場合、二酸化マンガンの供給量は0,1〜1.0
ポンド/分にするのが望ましいが、最大3ポンド/分ま
で増すことができる。炉は上記のものよりも大きなもの
を使用すれば、処理量を更にアップさせることができる
。
る。管内面の形状を変えることにより、二酸化マンガン
粉末を一層良く混合できるようにすることもできる。例
えば、管の長手方向と並行に90度間隔にて長手フィン
(longitudinal fins)を設けること
もできる。このフィンは、二酸化マンガンを拾い上げる
リフターとして機能し、二酸化マンガンを平滑内面の場
合よりも高く拾い上げ、管の中心方向に戻す作用を行な
う。又、管の内面を波型に形成することにより、回転し
ながら材料を集めて移動させ、管中心に戻すようにする
こともできる。
手した時点では5%以下である。熱処理中にこの水の大
部分は取り除かれるので、炉から水分を逃がす手段を講
じる必要がある。回転管を傾けることにより、いわゆる
「煙突効果」によって水蒸気を管の上端から逃がすこと
ができるという追加の利点がある。不活性ガスを管の下
端から上端に通過させることにより、水分の蒸気除去効
果を高めることができる。しかしながら、ガス流量をあ
まり多くすると、二酸化マンガン粒子がガスの流れに乗
って管の中を通り抜けてしまうため、あまり流量を増や
すべきでない。
段がある。例えば、加熱空気を通過させる流動床(fl
uidized bed)によっても急速加熱を行なう
ことができる。この方法では、ガンマ二酸化マンガン粉
末を流動床のチャンバーに移送する。
床に分散させ、粉末を短時間の内に熱処理温度まで加熱
するのである。粉末はベータ変換するのに十分な時間、
チャンバー内に滞在させる。
冷却する。この加熱方法は、連続式でもよいし、バッチ
式でもよい。
できる。本発明の方法に関する具体的な説明は例示的な
ものであって、本発明の範囲を限定するものと解すべき
ではない。
管炉の位置と温度の関係をプロットして示す図である。 第2図は炉内温度が475℃のとき、回転式管炉の位置
と温度の関係をプロットして示す図である。第3A図は
本発明の方法で処理した二酸化マンガンのX線回折パタ
ーンを示す図である。第3B図は従来の方法で処理した
二酸化マンガンのX線回折パターンを示す図である。 出願人 デュラセル インターナショナルインコーホレ
ーテッド 炉の人口からの距離()l−k) 炉の入口からの距離(フィート) FIG、 2
Claims (16)
- (1)粒状のガンマ二酸化マンガンを加熱炉のチャンバ
ーに供給し、450℃以上の温度でガンマ二酸化マンガ
ンを加熱しながらチャンバー内のMnO_2粒の相対位
置を連続的に変化させ、450℃以上の温度にて二酸化
マンガンを所定時間保持し、有害となる量の低級酸化物
を生成することなく二酸化マンガンの大部分をベータ結
晶相に変換し、加熱完了した二酸化マンガンをチャンバ
ーから取り出す工程から構成されることを特徴とするベ
ータ二酸化マンガンの製造方法。 - (2)二酸化マンガンが450℃以上の温度に達するま
での時間は1時間以内であり、二酸化マンガンが450
℃以上の温度で保持される時間は1時間以内である特許
請求の範囲第1項に記載の方法。 - (3)ガンマ二酸化マンガンが465℃以上の温度に達
するまでの時間は1時間以内であり、二酸化マンガンの
大部分をベータ相に変換できるようにするために二酸化
マンガンを465℃以上の温度で保持する時間は30分
以内である特許請求の範囲第1項に記載の方法。 - (4)二酸化マンガンはチャンバーに連続して供給され
る特許請求の範囲第2項に記載の方法。 - (5)ガンマ二酸化マンガンのチャンバーへの供給量は
0.1〜3.0ポンド/分である特許請求の範囲第4項
に記載の方法。 - (6)ガンマ二酸化マンガンはチャンバーに装入する前
、300℃以下の温度にて予熱される特許請求の範囲第
3項に記載の方法。 - (7)熱処理後の二酸化マンガンのベータ結晶相は60
〜90%である特許請求の範囲第3項に記載の方法。 - (8)非水系電池の正極として好適な二酸化マンガンの
製造方法であって、450℃以上の温度に加熱された回
転式管炉にガンマ二酸化マンガンを連続的に供給し、管
を回転し、管の第1の部位にて450℃以上の温度で二
酸化マンガンを最長1時間加熱し、管の第2の部位にて
450℃以上の温度にて二酸化マンガンを所定時間保持
し、二酸化マンガンの大部分をベータ相に変換し、管の
第3の部位にて二酸化マンガンを冷却し、熱処理後の二
酸化マンガンを集める工程から構成されることを特徴と
する二酸化マンガンの製造方法。 - (9)二酸化マンガンを管の第1の部位にて465℃以
上の温度に加熱するまでの時間は1時間以内であり、二
酸化マンガンを管の第2の部位にて465℃以上の温度
で保持する時間は30分以内である特許請求の範囲第8
項に記載の方法。 - (10)二酸化マンガンは465℃以上の温度にて最長
15分間保持される特許請求の範囲第9項に記載の方法
。 - (11)ガンマ二酸化マンガンの約60乃至90%がベ
ータ結晶相に変換される特許請求の範囲第8項に記載の
方法。 - (12)ガンマ二酸化マンガンの約65乃至85%がベ
ータ結晶相に変換される特許請求の範囲第8項にの方法
。 - (13)二酸化マンガンの回転式管炉への供給量は0.
1〜3.0ポンド/分である特許請求の範囲第9項に記
載の方法。 - (14)二酸化マンガンが回転式管炉に装入される前、
二酸化マンガンは300℃以下の温度で予熱される特許
請求の範囲第9項に記載の方法。 - (15)熱処理後の二酸化マンガン、導電剤及び結合剤
からなる混合物を形成し、該混合物をエキスパンド・メ
タル・グリッドに被覆し、該被覆グリッドをローラとロ
ーラの間にて圧縮して正極を形成し、該正極を150乃
至300℃の温度にて加熱し、吸収された水分を除去す
る特許請求の範囲第11項に記載の方法。 - (16)導電剤はカーボンブラック、アセチレンブラッ
ク、及びこれらの混合物からなる群から選択され、結合
剤はポリテトラフルオロエチレンである特許請求の範囲
第16項に記載の方法。
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1989
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