JP2015182922A - Nickel-manganese compound oxide having cubic spinel structure and method for producing the same, and use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ニッケル−マンガン系複合酸化物及びその製造方法、並びにその用途に関するものであり、詳しくは、リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の前駆体として適したニッケル−マンガン系複合酸化物、そのニッケル−マンガン系複合酸化物を使用して得られるリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物、及び、そのリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を正極として使用するリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a nickel-manganese composite oxide, a method for producing the same, and its use. Specifically, the nickel-manganese composite oxide suitable as a precursor of a lithium-nickel-manganese composite oxide, The present invention relates to a lithium-nickel-manganese composite oxide obtained using the nickel-manganese composite oxide and a lithium secondary battery using the lithium-nickel-manganese composite oxide as a positive electrode.
スピネル型構造のリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物は5V級リチウム二次電池用正極活物質として注目されている。リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物はニッケルとマンガンとが規則配列した超格子構造である。この物質の製造方法としては、ニッケル源、マンガン源を混合し焼成する固相反応法やニッケル及びマンガンを含有する複合炭酸塩、複合水酸化物、複合オキシ水酸化物、複合酸化物を前駆体とする製造方法がある。ニッケル及びマンガンを含有する複合化合物は、金属がより均一に分布しているため、ニッケルとマンガンの規則配列を前提とした場合、好ましい前駆体といえる。 A spinel-type lithium-nickel-manganese composite oxide has attracted attention as a positive electrode active material for 5V class lithium secondary batteries. The lithium-nickel-manganese composite oxide has a superlattice structure in which nickel and manganese are regularly arranged. The production method of this substance includes a solid phase reaction method in which a nickel source and a manganese source are mixed and calcined, and a composite carbonate, composite hydroxide, composite oxyhydroxide, composite oxide containing nickel and manganese as a precursor. There is a manufacturing method. The composite compound containing nickel and manganese is a preferable precursor when the ordered arrangement of nickel and manganese is premised because the metal is more uniformly distributed.
例えば、リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の前駆体として、共沈法により得られたニッケル−マンガン複合化合物を焼成したニッケル−マンガン複合酸化物を用いることが開示されている(特許文献1)。 For example, it is disclosed that a nickel-manganese composite oxide obtained by firing a nickel-manganese composite compound obtained by a coprecipitation method is used as a precursor of a lithium-nickel-manganese composite oxide (Patent Document 1). .
また、ニッケル塩とマンガン塩とを噴霧乾燥、焼成したニッケル−マンガン複合酸化物をリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の前駆体として用いることが開示されている(特許文献2)。 Further, it is disclosed that a nickel-manganese composite oxide obtained by spray-drying and firing a nickel salt and a manganese salt is used as a precursor of a lithium-nickel-manganese composite oxide (Patent Document 2).
これらリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の前駆体の結晶格子は立方晶で、他の結晶構造が主成分となる場合には、正極活物質が所望の結晶構造を有することが困難となることが開示されている(特許文献1、2)
特許文献1のMn3O4を核にした液相合成によるマンガンニッケル複合酸化物を原料とした立方晶スピネル系マンガンニッケル複合酸化物の製造方法では、900〜1000℃の温度範囲で焼成する必要がある。
When the crystal lattice of the precursor of these lithium-nickel-manganese composite oxides is cubic and other crystal structures are the main components, it is difficult for the positive electrode active material to have a desired crystal structure. Is disclosed (
In the method for producing a cubic spinel-based manganese nickel composite oxide using a manganese nickel composite oxide as a raw material by liquid phase synthesis with Mn 3 O 4 as a core in
また、特許文献2、3のスプレードライアーを用いた固相法による立方晶スピネル型マンガンニッケル複合酸化物の製造方法においても、800〜1000℃の温度範囲での焼成が必要である。
Moreover, also in the manufacturing method of the cubic spinel type manganese nickel complex oxide by the solid-phase method using the spray dryer of
このように、立方晶スピネル型ニッケルマンガン複合酸化物を得るためには、800℃以上という高い温度での焼成が必要となる。 Thus, in order to obtain a cubic spinel type nickel manganese composite oxide, firing at a high temperature of 800 ° C. or higher is required.
このため、より低いコストで簡便な製造方法が必要であるという課題がある。 For this reason, there exists a subject that a simple manufacturing method is required at lower cost.
本発明の目的は、立方晶スピネル型マンガンニッケル複合酸化物の製造方法において、低温度の焼成で得られる立方晶スピネル型ニッケルマンガン複合酸化物を提供し、当該立方晶スピネル型ニッケルマンガン複合酸化物を使用して得られるリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を正極として使用するリチウム二次電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a cubic spinel type nickel manganese composite oxide obtained by firing at a low temperature in a method for producing a cubic spinel type manganese nickel composite oxide. Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery using a lithium-nickel-manganese composite oxide obtained by using as a positive electrode.
本発明者らはリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の前駆体について鋭意検討した。その結果、正方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物を熱処理することで、低い焼成温度で立方晶スピネル酸化物が生成する事を見出し、さらに、金属元素の分散性の高いニッケル−マンガン系複合スピネル酸化物を前駆体としたリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を正極として使用するリチウム二次電池が高性能であることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、化学組成式が(Ni(0.25±α)−xM1xMn(0.75±α)−yM2y)3O4(但し、M1及びM2はそれぞれMg、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びZrから選ばれる1種を表し、0≦x≦0.1、0≦y≦0.25であり、0≦α≦0.05である)で表され、結晶構造が立方晶スピネル型構造であり、結晶子径が80〜500Åであることを特徴とする立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物、その製造方法、並びにその用途である。 The present inventors diligently studied a precursor of a lithium-nickel-manganese composite oxide. As a result, it has been found that a cubic spinel oxide is produced at a low firing temperature by heat-treating a tetragonal spinel structure nickel-manganese composite oxide. It has been found that a lithium secondary battery using a lithium-nickel-manganese composite oxide having a composite spinel oxide as a precursor as a positive electrode has high performance, and has completed the present invention. That is, according to the present invention, the chemical composition formula is (Ni (0.25 ± α) −x M1 x Mn (0.75 ± α) −y M2 y ) 3 O 4 (where M1 and M2 are Mg, Al, respectively) Represents one selected from Ti, V, Cr, Fe, Co, Cu, Zn and Zr, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.25, and 0 ≦ α ≦ 0.05 A cubic spinel structure nickel-manganese based composite oxide, characterized in that the crystal structure is a cubic spinel structure and the crystallite diameter is 80 to 500 mm, and its production method, and It is a use.
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は、化学組成式が(Ni(0.25±α)−xM1xMn(0.75±α)−yM2y)3O4(但し、M1及びM2はそれぞれMg、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びZrから選ばれる1種を表し、0≦x≦0.1、0≦y≦0.25であり、0≦α≦0.05である)で表される。Ni+M1=0.25±0.05、Mn+M2=0.75±0.05であり、これらを外れると、Ni2+、Mn4+という形式原子価から乖離し、5V付近(Li金属負極基準)の電池容量が低下する。Ni:Mn=0.25:0.75が好ましい。異種元素置換(M1,M2)により、電池性能、特に充放電サイクルの安定性の向上やMnの溶出抑制効果が期待できる。スピネル型副格子内のNi−Mn規則配列の規則度や5V領域の電池容量を維持するため、Niに対する異種元素置換量は少ない方が好ましい。具体的な化学組成としては、例えば、(Ni0.25Mn0.75)3O4、(Ni0.25Mn0.65Ti0.10)3O4、(Ni0.20Fe0.05Mn0.75)3O4、(Ni0.23Mg0.02Mn0.75)3O4、(Ni0.23Zn0.02Mn0.75)3O4等が挙げられる。 The cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention has a chemical composition formula of (Ni (0.25 ± α) -x M1 x Mn (0.75 ± α) -y M2 y ) 3 O 4. (However, M1 and M2 each represent one selected from Mg, Al, Ti, V, Cr, Fe, Co, Cu, Zn and Zr, and 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.25. And 0 ≦ α ≦ 0.05. Ni + M1 = 0.25 ± 0.05 and Mn + M2 = 0.75 ± 0.05. When these values are deviated, they deviate from the formal valences of Ni 2+ and Mn 4+ and are around 5V (based on Li metal negative electrode). Battery capacity decreases. Ni: Mn = 0.25: 0.75 is preferable. Different element substitution (M1, M2) can be expected to improve battery performance, in particular, charge / discharge cycle stability and suppress Mn elution. In order to maintain the degree of order of the Ni—Mn ordered arrangement in the spinel type sublattice and the battery capacity in the 5 V region, it is preferable that the amount of substitution of different elements for Ni is small. Specific examples of the chemical composition include (Ni 0.25 Mn 0.75 ) 3 O 4 , (Ni 0.25 Mn 0.65 Ti 0.10 ) 3 O 4 , (Ni 0.20 Fe 0. 05 Mn 0.75) 3 O 4, (Ni 0.23 Mg 0.02 Mn 0.75) 3 O 4, include (Ni 0.23 Zn 0.02 Mn 0.75) 3 O 4 and the like.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は、結晶構造が立方晶スピネル型である。立方晶スピネル型であることにより、NiおよびMnの元素分布が均一化され、Ni−Mn規則配列が実現しやすい利点がある。また、原料および最終生成物であるリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の両方がスピネル型構造であることで、原料とリチウム化合物との反応が円滑に進行する可能性がある。ここに、立方晶スピネル型とは、結晶格子が立方晶に分類され、結晶構造はスピネル型であるものをいい、空間群がFd−3mである。 The cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention has a cubic spinel type crystal structure. The cubic spinel type is advantageous in that the elemental distribution of Ni and Mn is made uniform and a Ni—Mn ordered arrangement is easily realized. In addition, since both the raw material and the final product, the lithium-nickel-manganese composite oxide, have a spinel structure, the reaction between the raw material and the lithium compound may proceed smoothly. Here, the cubic spinel type means that the crystal lattice is classified as cubic, the crystal structure is a spinel type, and the space group is Fd-3m.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は、結晶子径が80〜500Åである。結晶子径が80Å未満である場合、リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物合成時、原料の結晶子同士の凝集が起き、金属元素分布が均一にならない。結晶子径が500Åを超す場合、原料とリチウム源との反応性が下がり、最終生成物であるリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の金属元素分布が均一にならない。 The cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention has a crystallite diameter of 80 to 500 mm. When the crystallite diameter is less than 80 mm, the crystallites of the raw material are aggregated during the synthesis of the lithium-nickel-manganese composite oxide, and the metal element distribution is not uniform. When the crystallite diameter exceeds 500 mm, the reactivity between the raw material and the lithium source decreases, and the metal element distribution of the lithium-nickel-manganese composite oxide as the final product is not uniform.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物のタップ密度は、電極中の正極活物質の充填性がエネルギー密度に影響するため、1.0g/cm3以上であることが好ましく、1.5g/cm3以上であることがさらに好ましく、2.0g/cm3以上であることが特に好ましい。タップ密度が1.0g/cm3以上であれば、本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物を原料として得られるリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の充填性が高くなりやすい。 The tap density of the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention is preferably 1.0 g / cm 3 or more because the filling density of the positive electrode active material in the electrode affects the energy density. More preferably, it is 1.5 g / cm 3 or more, and particularly preferably 2.0 g / cm 3 or more. When the tap density is 1.0 g / cm 3 or more, the filling property of the lithium-nickel-manganese composite oxide obtained using the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention as a raw material tends to be high. .
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は、理論平均原子価が2.7価のため、化学組成式中のNi、Mn、M1及びM2の平均原子価が2.5〜2.9であることが好ましく、2.6〜2.7がさらに好ましい。ここに、平均原子価は、ヨードメトリー法により求める。 Since the theoretical average valence of the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention is 2.7, the average valence of Ni, Mn, M1, and M2 in the chemical composition formula is 2.5 to 2.5. 2.9 is preferable, and 2.6 to 2.7 is more preferable. Here, the average valence is determined by an iodometry method.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物の平均粒子径は、電極を形成しやすい粒子径に適合させるため、5〜20μmが好ましく、5〜10μmがさらに好ましい。なお、平均粒子径とは、一次粒子が凝集した二次粒子の平均粒子径、いわゆる凝集粒子径である。 The average particle size of the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention is preferably 5 to 20 μm and more preferably 5 to 10 μm in order to adapt to the particle size at which an electrode can be easily formed. The average particle diameter is an average particle diameter of secondary particles in which primary particles are aggregated, that is, a so-called aggregated particle diameter.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物の比表面積は、充填性を確保するため、50m2/g以下であることが好ましく、10m2/g以下がさらに好ましい。一般的には、充填性と比表面積とは相関関係があるため、低比表面積の方が高い充填性の粉末が得られやすい。
Cubic spinel structure nickel present invention - the specific surface area of the manganese-based composite oxide, in order to ensure the filling property, preferably at 50
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物の粒子分布は、単分散、すなわち、モノモーダルな分布を有する粒子径分布である。 The particle distribution of the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention is a particle size distribution having a monodisperse, that is, a monomodal distribution.
次に、本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物の製造方法について説明する。 Next, a method for producing the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention will be described.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は、化学組成式が(Ni(0.25±α)−xM1xMn(0.75±α)−yM2y)3O4(但し、M1及びM2はそれぞれMg、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びZrから選ばれる1種を表し、0≦x≦0.1、0≦y≦0.25であり、0≦α≦0.05である)で表され、空間群がI41/amdであり、格子定数aが5.7〜5.9Å、格子定数cが8.8〜9.4Åである正方晶スピネル型ニッケル−マンガン系複合酸化物を原料に使用し、250℃以上で焼成することにより製造することができる。焼成温度が250℃未満であると、正方晶スピネル型酸化物との混合相となる。生成物の形骸を保ち、焼結を防ぐため、250〜900℃で焼成することが好ましく、250〜600℃で焼成することがさらに好ましく、250〜500℃で焼成することが特に好ましい。 The cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention has a chemical composition formula of (Ni (0.25 ± α) -x M1 x Mn (0.75 ± α) -y M2 y ) 3 O 4. (However, M1 and M2 each represent one selected from Mg, Al, Ti, V, Cr, Fe, Co, Cu, Zn and Zr, and 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.25. And 0 ≦ α ≦ 0.05), the space group is I41 / amd, the lattice constant a is 5.7 to 5.9Å, and the lattice constant c is 8.8 to 9.4Å. A certain tetragonal spinel-type nickel-manganese composite oxide can be used as a raw material and fired at 250 ° C. or higher. When the firing temperature is less than 250 ° C., a mixed phase with a tetragonal spinel oxide is formed. In order to keep the shape of the product and prevent sintering, it is preferably fired at 250 to 900 ° C, more preferably 250 to 600 ° C, and particularly preferably 250 to 500 ° C.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物の製造は、雰囲気の制御は必要なく、通常の大気雰囲気下で行うことが可能である。 The production of the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention does not require control of the atmosphere, and can be performed in a normal air atmosphere.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は金属元素の分散性が高く、リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の製造に使用することができる。 The cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention has high dispersibility of metal elements, and can be used for the production of lithium-nickel-manganese composite oxide.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物を原料として、リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を製造する場合、その製造方法は、ニッケル−マンガン系複合酸化物とリチウム化合物とを混合する混合工程と、焼成工程とを有することが好ましい。 In the case of producing a lithium-nickel-manganese composite oxide using the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention as a raw material, the production method comprises the steps of: nickel-manganese composite oxide and lithium compound. It is preferable to have a mixing step of mixing and a firing step.
混合工程において、リチウム化合物は任意のものを用いることができる。リチウム化合物として、水酸化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウム、ヨウ化リチウム、硝酸リチウム、シュウ酸リチウム及びアルキルリチウムの群から選ばれる1種以上が例示できる。好ましいリチウム化合物として、水酸化リチウム、酸化リチウム及び炭酸リチウムの群から選ばれるいずれか1種以上が例示できる。 In the mixing step, any lithium compound can be used. Examples of the lithium compound include one or more selected from the group consisting of lithium hydroxide, lithium oxide, lithium carbonate, lithium iodide, lithium nitrate, lithium oxalate, and alkyl lithium. As a preferable lithium compound, any one or more selected from the group of lithium hydroxide, lithium oxide and lithium carbonate can be exemplified.
焼成工程において、原料を混合後に焼成してリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を製造する。焼成は500〜1000℃のいずれかの温度で、空気中、酸素中など各種の雰囲気で行うことができる。 In the firing step, the raw materials are mixed and then fired to produce a lithium-nickel-manganese composite oxide. Firing can be performed at any temperature of 500 to 1000 ° C. in various atmospheres such as air and oxygen.
このように得られたリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物については、リチウム二次電池の正極活物質として用いられる。 The lithium-nickel-manganese composite oxide thus obtained is used as a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
本発明のリチウム二次電池に用いる負極活物質としては、金属リチウム並びにリチウムまたはリチ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。例えば、金属リチウム、リチウム/アルミニウム合金、リチウム/スズ合金、リチウム/鉛合金および電気化学的にリチウムイオンを挿入・脱離することができる炭素材料が例示され、電気化学的にリチウムイオンを挿入・脱離することができる炭素材料が安全性および電池の特性の面から特に好適である。 As the negative electrode active material used in the lithium secondary battery of the present invention, metallic lithium and a material capable of occluding and releasing lithium or lithium ions can be used. Examples include lithium metal, lithium / aluminum alloy, lithium / tin alloy, lithium / lead alloy, and carbon materials that can electrochemically insert and desorb lithium ions. A carbon material that can be desorbed is particularly preferable in terms of safety and battery characteristics.
また、本発明のリチウム二次電池で用いる電解質としても特に制限はなく、例えば、カーボネート類、スルホラン類、ラクトン類、エーテル顆等の有機溶媒中にリチウム塩を溶解したものや、リチウムイオン導電性の固体電解質を用いることができる。 Further, the electrolyte used in the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited. For example, a lithium salt dissolved in an organic solvent such as carbonates, sulfolanes, lactones, ether condyles, or lithium ion conductivity. The solid electrolyte can be used.
また、本発明のリチウム二次電池で用いるセパレーターとしては、特に制限はないが、例えば、ポリエチレン製、ポリプロピレン製の微細多孔膜等を用いることができる。 Moreover, there is no restriction | limiting in particular as a separator used with the lithium secondary battery of this invention, For example, the microporous film made from polyethylene, a polypropylene, etc. can be used.
以上のようなリチウム二次電池の構成の一例として、例えば、導電剤との混合物をペレット状に成型した後、100〜200℃で減圧乾燥して得られる成形物を電池用正極とし、金属リチウム箔からなる負極、およびエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを溶解した電解液を用いたもの等が挙げられる。 As an example of the configuration of the lithium secondary battery as described above, for example, a molded product obtained by molding a mixture with a conductive agent into a pellet and drying under reduced pressure at 100 to 200 ° C. is used as a positive electrode for the battery. Examples include a negative electrode made of a foil, and an electrolytic solution in which lithium hexafluorophosphate is dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は、これを原料としたリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物が良好な電池特性が得られる。また、立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物の製造方法は、従来の固相反応法による製造方法に比べ、低温合成が可能となる。このため製造コスト、設備コストの低減が可能となる。 As for the cubic spinel structure nickel-manganese based composite oxide of the present invention, a lithium-nickel-manganese based composite oxide using this as a raw material provides good battery characteristics. In addition, the method for producing a cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide enables low-temperature synthesis as compared with a production method using a conventional solid phase reaction method. For this reason, it is possible to reduce manufacturing costs and equipment costs.
以下の実施例により本発明を具体的に説明するが、これらに限定されるものではない。 The present invention is specifically described by the following examples, but is not limited thereto.
各種測定は以下の方法で測定した。 Various measurements were performed by the following methods.
<粉末X線回折測定>
一般的なX線回折装置(商品名:MXP−3、マックサイエンス社製)を使用し、試料の粉末X線回折測定(XRD測定)を行った。線源にはCuKα線(λ=1.5405Å)を用い、測定モードはステップスキャン、スキャン条件は毎秒0.04°、計測時間は3秒、及び、測定範囲は2θとして5°から100°の範囲で測定した。
<Powder X-ray diffraction measurement>
Using a general X-ray diffractometer (trade name: MXP-3, manufactured by Mac Science), powder X-ray diffraction measurement (XRD measurement) of the sample was performed. A CuKα ray (λ = 1.5405 mm) is used as the radiation source, the measurement mode is step scan, the scan condition is 0.04 ° per second, the measurement time is 3 seconds, and the measurement range is 2 ° to 5 ° to 100 °. Measured in range.
<結晶構造の解析(正方晶)>
上記の条件のXRD測定で得られたXRDパターンにおいて、正方晶スピネル結晶相の構造精密化をRietveld法で行った。解析ソフトウェアであるRietan−2000を用いてパターンフィッティングすることにより、格子定数a及びcを求めた。副生相であるオキシ水酸化物及びハイドロタルサイト型水酸化物については、それぞれ2θ=19.2°±0.5°及び2θ=11.7°±1.0°の正方晶スピネル構造では帰属不可能な回折ピークを確認することにより、それらの生成を確認した。
<Analysis of crystal structure (tetragonal)>
In the XRD pattern obtained by the XRD measurement under the above conditions, the structure of the tetragonal spinel crystal phase was refined by the Rietveld method. Lattice constants a and c were obtained by pattern fitting using analysis software Rietan-2000. For the oxyhydroxide and hydrotalcite type hydroxides which are by-products, the tetragonal spinel structure of 2θ = 19.2 ° ± 0.5 ° and 2θ = 11.7 ° ± 1.0 °, respectively. Their formation was confirmed by confirming diffraction peaks that could not be assigned.
<結晶構造の解析(立方晶)>
上記の条件のXRD測定で得られたXRDパターンにおいて、立方晶スピネル結晶相の計算値との比較で結晶構造の同定を行った。
<Analysis of crystal structure (cubic)>
In the XRD pattern obtained by the XRD measurement under the above conditions, the crystal structure was identified by comparison with the calculated value of the cubic spinel crystal phase.
<結晶子径の測定>
上記の条件のXRD測定で得られたXRDパターンにおいて、2θ=35.3°±0.5°の立方晶スピネル構造に帰属可能なピークについて、そのピーク位置及び半値幅から、シェラーの式[τ=(kλ)/(βCOSθ)、k;形状因子、λ;X線波長、β;ピーク半値幅全幅、θ;ブラッグ角、τ;結晶子径]を用いて結晶子径を求めた。
<Measurement of crystallite diameter>
In the XRD pattern obtained by the XRD measurement under the above-mentioned conditions, Scherrer's formula [τ is obtained from the peak position and the half-value width of the peak that can be attributed to the cubic spinel structure of 2θ = 35.3 ° ± 0.5 °. = (Kλ) / (βCOSθ), k: form factor, λ: X-ray wavelength, β: peak full width at half maximum, θ: Bragg angle, τ: crystallite diameter] to obtain a crystallite diameter.
<電池性能評価>
リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の正極としての電池特性試験を行った。
<Battery performance evaluation>
A battery characteristic test as a positive electrode of a lithium-nickel-manganese composite oxide was performed.
リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物と導電剤のポリテトラフルオロエチレンとアセチレンブラックとの混合物(商品名:TAB−2)とを重量比で4:1の割合で混合し、1ton/cm2の圧力でメッシュ(SUS316製)上にペレット状に成型した後、150℃で減圧乾燥し、電池用正極を作製した。得られた電池用正極と、金属リチウム箔(厚さ0.2mm)からなる負極、およびエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを1mol/dm3の濃度で溶解した電解液を用いて電池を構成した。当該電池を用いて定電流で電池電圧が4.9Vから3.0Vの間室温下で充放電させた。電流密度0.4mA/cm2で充放電し、それぞれの比容量(mAh/g)を測定した。容量維持率を[(50サイクル目の放電容量÷10サイクル目の放電容量)1/40]の式より求めた。 A mixture of lithium-nickel-manganese based composite oxide, polytetrafluoroethylene as a conductive agent, and acetylene black (trade name: TAB-2) is mixed at a weight ratio of 4: 1 and 1 ton / cm 2 . After forming into a pellet shape on a mesh (made of SUS316) with pressure, it was dried under reduced pressure at 150 ° C. to produce a positive electrode for a battery. Electrolysis in which lithium hexafluorophosphate was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate at a concentration of 1 mol / dm 3 in the obtained positive electrode for a battery, a negative electrode comprising a metal lithium foil (thickness 0.2 mm), and A battery was constructed using the liquid. Using this battery, the battery voltage was charged and discharged at room temperature between 4.9 V and 3.0 V at a constant current. The battery was charged / discharged at a current density of 0.4 mA / cm 2 , and each specific capacity (mAh / g) was measured. The capacity retention rate was obtained from the formula [(discharge capacity at 50th cycle / discharge capacity at 10th cycle) 1/40 ].
<XRDパターンのフィッティング方法>
正方晶スピネル型ニッケル−マンガン系複合酸化物のXRDパターンのフィッティングをRietan−2000により行った。
<XRD pattern fitting method>
Fitting of an XRD pattern of a tetragonal spinel type nickel-manganese composite oxide was performed by Rietan-2000.
合成例
硫酸ニッケル及び硫酸マンガンを純水に溶解し、1.5mol/Lの硫酸ニッケル及び0.5mol/Lの硫酸マンガンを含む水溶液を得て、これを金属塩水溶液とした(金属塩水溶液中の全金属の合計濃度は2.0mol/Lであった)。
Synthesis Example Nickel sulfate and manganese sulfate were dissolved in pure water to obtain an aqueous solution containing 1.5 mol / L nickel sulfate and 0.5 mol / L manganese sulfate, which was used as a metal salt aqueous solution (in a metal salt aqueous solution). The total concentration of all metals was 2.0 mol / L).
また、内容積1Lの反応容器に純水200gを入れた後、これを80℃まで昇温、維持した。 Further, 200 g of pure water was put into a reaction vessel having an internal volume of 1 L, and then this was heated to 80 ° C. and maintained.
当該金属塩水溶液を供給速度0.28g/minで反応容器に添加した。また、酸化剤として空気を供給速度0.2L/minで反応容器中にバブリングした。金属塩水溶液及び空気供給の際、pHが8.0となるように、2mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液(苛性ソーダ水溶液)を断続的に添加し、かつ、3mol/Lの硫酸アンモニウム溶液を0.38g/minで金属塩水溶液と等量添加して混合水溶液を得て、該混合水溶液中でニッケル−マンガン系複合酸化物が析出し、スラリーを得た。この際の酸化還元電位は0.03Vであった。得られたスラリーをろ過、洗浄した後、そのウェットケーキを115℃で5時間乾燥することでニッケル−マンガン系複合酸化物[(Ni0.24Mn0.76)3O4]を得た。 The aqueous metal salt solution was added to the reaction vessel at a supply rate of 0.28 g / min. Further, air was bubbled into the reaction vessel as an oxidizing agent at a supply rate of 0.2 L / min. 2 mol / L sodium hydroxide aqueous solution (caustic soda aqueous solution) was intermittently added so that the pH was 8.0 when supplying the metal salt aqueous solution and air, and 0.38 g of 3 mol / L ammonium sulfate solution was added. An equivalent amount of metal salt aqueous solution was added at / min to obtain a mixed aqueous solution, and a nickel-manganese composite oxide was precipitated in the mixed aqueous solution to obtain a slurry. At this time, the oxidation-reduction potential was 0.03V. The obtained slurry was filtered and washed, and then the wet cake was dried at 115 ° C. for 5 hours to obtain a nickel-manganese composite oxide [(Ni 0.24 Mn 0.76 ) 3 O 4 ].
得られたニッケル−マンガン系複合酸化物のXRDパターンからは、2θ=12°付近に極めて弱い散漫散乱がみられるものの、ほぼ正方晶スピネル型構造の単一結晶相といえた。 From the XRD pattern of the obtained nickel-manganese composite oxide, it was said that it was a single crystal phase having a substantially tetragonal spinel structure, although very weak diffuse scattering was observed in the vicinity of 2θ = 12 °.
当該ニッケル−マンガン系複合酸化物のXRDパターン及びフィッティングの結果(図1)、空間群がI41/amdであり、格子定数aが5.8Å、格子定数cが8.9Åであることが分かった。 As a result of the XRD pattern and fitting of the nickel-manganese composite oxide (FIG. 1), it was found that the space group was I41 / amd, the lattice constant a was 5.8 Å, and the lattice constant c was 8.9 Å. .
実施例1
合成例で得られた正方晶スピネル型ニッケル−マンガン系複合酸化物を空気流中、300℃で12時間焼成することにより、ニッケル−マンガン系複合酸化物を得た。得られたニッケル−マンガン系複合酸化物のXRDパターンを図2に示すが、ほぼ立方晶スピネル構造の単一結晶相といえた。
Example 1
The tetragonal spinel-type nickel-manganese composite oxide obtained in the synthesis example was fired at 300 ° C. for 12 hours in an air stream to obtain a nickel-manganese composite oxide. The XRD pattern of the obtained nickel-manganese composite oxide is shown in FIG. 2, and can be said to be a single crystal phase having a substantially cubic spinel structure.
実施例2
焼成温度を500℃とした以外は実施例1と同様な方法でニッケル−マンガン系複合酸化物を得た。得られたニッケル−マンガン系複合酸化物のXRDパターンを図3に示すが、立方晶スピネル単一結晶相であった。
Example 2
A nickel-manganese composite oxide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 500 ° C. FIG. 3 shows the XRD pattern of the obtained nickel-manganese composite oxide, which was a cubic spinel single crystal phase.
実施例3
焼成温度を従来の900℃とした以外は実施例1と同様な方法でニッケル−マンガン系複合酸化物を得た。得られたニッケル−マンガン系複合酸化物のXRDパターンを図4に示すが、立方晶スピネル単一結晶相であった。
Example 3
A nickel-manganese composite oxide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 900 ° C. The XRD pattern of the obtained nickel-manganese composite oxide is shown in FIG. 4 and was a cubic spinel single crystal phase.
実施例4
実施例1で得られた立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物と炭酸リチウムとを混合し、空気流中、800℃で10時間焼成した後、700℃で48時間焼成することにより、リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を合成した。化学組成分析の結果から、組成式Li2NiMn3O8と表すことができた。XRDパターンを図5に示す。
Example 4
By mixing the cubic spinel structure nickel-manganese based composite oxide obtained in Example 1 and lithium carbonate, firing in an air stream at 800 ° C. for 10 hours, and then firing at 700 ° C. for 48 hours, A lithium-nickel-manganese composite oxide was synthesized. From the result of chemical composition analysis, it could be expressed as a composition formula Li 2 NiMn 3 O 8 . The XRD pattern is shown in FIG.
当該リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の電池性能評価を行った。図6に充放電曲線を示す。図7に示すサイクルによる放電容量の関係図から、50サイクルまで容量低下がみられないことから、充放電サイクル性能が良好であることが示された。前記算出式より求めた容量維持率は99.99%となった。 The battery performance of the lithium-nickel-manganese composite oxide was evaluated. FIG. 6 shows a charge / discharge curve. From the relationship diagram of the discharge capacity according to the cycle shown in FIG. 7, it was shown that the charge / discharge cycle performance was good because the capacity did not decrease until 50 cycles. The capacity retention rate obtained from the above calculation formula was 99.99%.
実施例5
実施例2で得られた立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物を用いた以外は実施例4と同様な方法でリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を合成した。化学組成分析の結果から、組成式Li2NiMn3O8と表すことができた。
Example 5
A lithium-nickel-manganese composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 4 except that the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide obtained in Example 2 was used. From the result of chemical composition analysis, it could be expressed as a composition formula Li 2 NiMn 3 O 8 .
当該リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の電池性能評価を行った。図8に充放電曲線を示す。図9に示すサイクルによる放電容量の関係図から、50サイクルまで容量低下がみられないことから、充放電サイクル性能が良好であることが示された。前記算出式より求めた容量維持率は99.95%となった。 The battery performance of the lithium-nickel-manganese composite oxide was evaluated. FIG. 8 shows a charge / discharge curve. From the relationship diagram of the discharge capacity by the cycle shown in FIG. 9, it was shown that the charge / discharge cycle performance was good because the capacity did not decrease until 50 cycles. The capacity retention rate obtained from the above calculation formula was 99.95%.
実施例6
実施例3で得られた立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物を用いた以外は実施例4と同様な方法でリチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物を合成した。化学組成分析の結果から、組成式Li2NiMn3O8と表すことができた。
Example 6
A lithium-nickel-manganese composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 4 except that the cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide obtained in Example 3 was used. From the result of chemical composition analysis, it could be expressed as a composition formula Li 2 NiMn 3 O 8 .
当該リチウム−ニッケル−マンガン系複合酸化物の電池性能評価を行った。図10に充放電曲線を示す。図11に示すサイクルによる放電容量の関係図から、50サイクルまで容量低下がみられないことから、充放電サイクル性能が良好であることが示された。前記算出式より求めた容量維持率は99.99%となった。 The battery performance of the lithium-nickel-manganese composite oxide was evaluated. FIG. 10 shows a charge / discharge curve. From the relationship diagram of the discharge capacity according to the cycle shown in FIG. 11, it was shown that the charge / discharge cycle performance was good because no capacity decrease was observed up to 50 cycles. The capacity retention rate obtained from the above calculation formula was 99.99%.
実施例7
焼成温度を250℃とした以外は実施例1と同様な方法でニッケル−マンガン系複合酸化物を得た。得られたニッケル−マンガン系複合酸化物のXRDパターンを図12に示すが、立方晶スピネル単一結晶相であった。
Example 7
A nickel-manganese composite oxide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 250 ° C. FIG. 12 shows the XRD pattern of the obtained nickel-manganese composite oxide, which was a cubic spinel single crystal phase.
比較例
焼成温度を200℃とした以外は実施例1と同様な方法でニッケル−マンガン系複合化合物を得た。得られたニッケル−マンガン系複合化合物のXRDパターンを図13に示すが、立方晶スピネル型酸化物を主相の他に、2θ=31°及び34°付近に正方晶スピネル型酸化物のピークが存在し、立方晶と正方晶の混合相となった。
Comparative Example A nickel-manganese composite compound was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 200 ° C. FIG. 13 shows the XRD pattern of the obtained nickel-manganese composite compound. In addition to the main component of the cubic spinel type oxide, peaks of tetragonal spinel type oxides are observed around 2θ = 31 ° and 34 °. Existed and became a mixed phase of cubic and tetragonal crystals.
本発明の立方晶スピネル型構造ニッケル−マンガン系複合酸化物は、Li二次電池用正極材料の原料として利用される可能性を有する。 The cubic spinel structure nickel-manganese composite oxide of the present invention has a possibility of being used as a raw material for a positive electrode material for a Li secondary battery.
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