JP2013237606A - 四三酸化マンガン及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
リチウム化合物との高い反応性を有し、かつ取扱性にも優れ、リチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料として適した四三酸化マンガン及び製造方法を提供する。
【解決手段】
平均一次粒子径が２μｍ以下の四三酸化マンガン一次粒子が凝集してなり、細孔の細孔容積が０．４ｍＬ／ｇ以上である四三酸化マンガン粒子。最頻細孔が直径５μｍ以下の細孔であることが好ましい。この四三酸化マンガン粒子は、マンガン塩水溶液から四三酸化マンガンを直接晶析する晶析工程を有する四三酸化マンガン粒子の製造方法であって、当該晶析工程において、酸化還元電位が０ｍＶ以上であり、かつＯＨ−／Ｍｎ２＋（ｍｏｌ／ｍｏｌ）が０．５５以下でマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合してスラリーを得、当該スラリーの固形分濃度を２重量％以下とする製造方法により得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の正極活物質のマンガン原料に適した四三酸化マンガン及びその製造方法に関する。
リチウムマンガン系複合酸化物は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質として使用されている。そのマンガン原料としては電解二酸化マンガンが広く使用されている。一方、得られるリチウムマンガン系複合酸化物の充填性が向上しやすいため、四三酸化マンガンも好ましいリチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料として使用されている（例えば、特許文献１〜２）。
四三酸化マンガンは、リチウム原料及び他の金属原料と混合、焼成されることでリチウムマンガン系複合酸化物となる。例えば、水酸化リチウムと四三酸化マンガンを混合粉砕した後、焼成することで得られた斜方晶ＬｉＭｎＯ２が報告されている（特許文献１）。また、炭酸リチウム、四三酸化マンガン、オキシ水酸化コバルト及び水酸化ニッケル等をスラリーとし、これを湿式粉砕した後、焼成することで得られたリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物が報告されている（特許文献２）。
このように、リチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料となる四三酸化マンガンは、他の原料と混合されて使用されるため、マンガン原料には他原料との高い混合性、すなわち、他の原料との均一に混合できることが求められる。
リチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料となる四三酸化マンガンとして、均一な混合を可能にすることを目的として、マンガン含有液にアリカリ液を混合し、これを酸化することで得られた、最大粒子サイズが１５０ｎｍ以下の四三酸化マンガンが報告されている（特許文献３）。さらに、一次粒子が大きく、凝集粒子が少ないマンガン酸リチウム粒子粉末を得るため、平均一次粒子径が３．０〜１５μｍと大きく、Ｎａ含有量及びＳ含有量が少ない四三酸化マンガンが報告されている（特許文献４）。
特開２００３−０８６１８０号公報 特開２０１２−０２３０１５号公報 特開２００１−２６１３４３号公報 特開２００４−２９２２６４号公報
特許文献３の四三酸化マンガンは、平均粒子径が１００ｎｍと非常に小さく、かつ、分散性が高いものであった。そのため、リチウム化合物との反応性は比較的高いが、流動性が悪く、工業的に取扱いができないものであった。
特許文献４の四三酸化マンガンは、一次粒子径が大きいため、分散性には優れている。しかしながら、大きな一次粒子のため、リチウム化合物との反応性が低く、これを原料として得られるリチウムマンガン系複合酸化物の電池特性、特に出力特性は十分ではなかった。
本発明は、これらの課題を解決し、リチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料として適した四三酸化マンガン及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、リチウムマンガン系複合酸化物の原料に用いられる四三酸化マンガン及びその製造方法について鋭意検討を重ねた。その結果、一次粒子が適度な強度で凝集した二次粒子からなる四三酸化マンガン粒子はリチウム化合物との反応性が低下することなく、取扱い性も高いリチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料となることを見出した。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）平均一次粒子径が２μｍ以下の四三酸化マンガン一次粒子が凝集してなり、細孔の細孔容積が０．４ｍＬ／ｇ以上であることを特徴とする四三酸化マンガン粒子。
（２）最頻細孔が直径５μｍ以下の細孔であることを特徴とする上記（１）に記載の四三酸化マンガン粒子。
（３）水銀圧入法によって測定される直径１０μｍ以上の細孔の細孔体積率が２０％以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の四三酸化マンガン粒子。
（４）平均粒子径が５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
（５）最頻粒子径が平均粒子径よりも大であることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
（６）硫酸根の含有量が０．５重量％以下であることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
（７）平均一次粒子径が０．２μｍを超え０．５μｍ以下であることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
（８）細孔の細孔容積が２ｍＬ／ｇ以下であることを特徴とする上記（１）乃至（７）のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
（９）上記（１）乃至（８）のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子の製造方法であって、マンガン塩水溶液から四三酸化マンガンを直接晶析する晶析工程を有し、当該晶析工程において、酸化還元電位が０ｍＶ以上であり、かつ、ＯＨ−／Ｍｎ２＋（ｍｏｌ／ｍｏｌ）が０．５５以下でマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合してスラリーを得、当該スラリーの固形分濃度を２重量％以下とすることを特徴とする製造方法。
（１０）酸化還元電位が６０ｍＶ以上２００ｍＶ以下であることを特徴とする上記（９）に記載の製造方法。
（１１）前記晶析工程において、固形分濃度が２重量％以下のスラリーを１０分以上熟成させること特徴とする上記（９）又は（１０）に記載の製造方法。
（１２）マンガン塩水溶液の温度が６０℃以上９５℃以下であることを特徴とする上記（９）乃至（１１）のいずれか一項に記載の製造方法。
（１３）ＯＨ−／Ｍｎ２＋（ｍｏｌ／ｍｏｌ）が０．３５以上であることを特徴とする上記（９）乃至（１２）のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子の製造方法。
（１４）上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の四三酸化マンガン粒子とリチウム化物とを混合する混合工程と、熱処理する加熱工程と、を有するリチウム複合酸化物の製造方法。
以下、本発明の四三酸化マンガン粒子について説明する。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、平均一次粒子径が２μｍ以下の四三酸化マンガンが凝集した粒子、すなわち、平均粒子径が２μｍ以下の四三酸化マンガン一次粒子が凝集した二次粒子からなる。平均一次粒子径は１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることがより好ましく、０．４５μｍ以下であることが更に好ましく、０．４μｍ以下であることが更により好ましい。平均一次粒子径が２μｍ以下であることで、リチウム化合物との反応性が高くなる。
平均一次粒子径、すなわち四三酸化マンガン一次粒子の平均粒子径は０．１μｍ以上であることが好ましく、０．２μｍを超えることが好ましい。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、平均一次粒子径が２μｍ以下の四三酸化マンガンが凝集した粒子である。一次粒子が凝集することで、粉末の流動性が高くなる。これにより、混合工程前における取扱い性（ハンドリング性）が容易になる。さらに、リチウム化合物等と混合する際に本発明の四三酸化マンガン粒子を粉砕することで、本発明の四三酸化マンガン粒子を構成している一次粒子が分散し、リチウム化合物等との高い反応性を有したまま、これらとの混合が可能となる。
本発明において、「一次粒子」とは、走査型電子顕微鏡観察において単独粒子として確認できる最小単位の粒子である。
本発明の四三酸化マンガン粒子は一次粒子が凝集することで細孔を形成している。細孔の細孔容積は０．４ｍＬ／ｇ以上であり、０．５ｍＬ／ｇ以上であることが好ましく、０．７ｍＬ／ｇ以上であることがより好ましい。これにより本発明の四三酸化マンガン粒子が易粉砕性となる。細孔の細孔容積が０．４ｍＬ／ｇ未満では、一次粒子間の凝集が強くなりすぎ、四三酸化マンガン粒子が粉砕しにくくなる。本発明の四三酸化マンガン粒子の細孔の細孔容積は２ｍＬ／ｇ以下、更には１．５ｍＬ／ｇ以下、また更には１ｍＬ／ｇ以下となりやすい。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、上記の平均一次粒子径及び細孔容積の両者を満たすことではじめて取扱い性及び粉砕性に優れた粒子となる。
本発明の四三酸化マンガン粒子の形状は球状であり、更には表面に気孔を有する球状であることが好ましい。球状であることで本発明の四三酸化マンガン粒子の充填性が高くなりやすい。なお、本発明において球状とは、鋭角部を有する形状や、多面体状ではない形状であり、これには、真球状のみならず、略球状など球が歪んだ球状や、これらの形状であって、その表面に気孔を有するものを含む形状である。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、最頻細孔が直径５μｍ以下の細孔であることが好ましく、直径４μｍ以下の細孔であることがより好ましく、直径３μｍ以下の細孔であることが更に好ましい。最頻細孔は、本発明の四三酸化マンガン粒子が有する細孔の中で最も容積が多い細孔である。最頻細孔が直径５μｍ以下の細孔であれば、本発明の四三酸化マンガン粒子が、ピンポン玉の様ないわゆる中空球状の細孔構造ではなく、内部まで一次粒子が存在し、なおかつ、細孔が粒子内に均一に分散した細孔構造となる。これにより、本発明の四三酸化マンガン粒子が、易粉砕性でありながら、適度な強度を有する。
易粉砕性を保つ観点から、最頻細孔は直径１μｍ以上の細孔であることが好ましく、直径２μｍ以上の細孔であることがより好ましい。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、水銀圧入法によって測定される直径１０μｍ以上の細孔の細孔体積率（以下において、単に「直径１０μｍ以上の細孔の細孔体積率」という）が２０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましく、１０％以下であることが更に好ましい。直径１０μｍ以上の細孔の細孔体積率が２０％以下となることで、リチウム化合物との反応が均一になりやすい。
本発明における「細孔体積率」は、四三酸化マンガン粒子の全ての細孔の合計体積に対する所定範囲の直径を有する細孔（例えば、細孔直径１０μｍ以上の細孔など）の合計体積の比率である。なお、細孔の直径分布及び細孔体積は、水銀圧入法を採用した市販のポロシメーターで測定することができる。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、水銀圧入法により測定される直径０．１μｍ以下の細孔の細孔面積率（以下において、単に「直径０．１μｍ以下の細孔の細孔面積率」という）が１．５％以上であることが好ましく、５％以上であることがより好ましい。直径０．１μｍ以下の微細細孔が上記の範囲にあることで、四三酸化マンガン粒子が洗浄しやすくなるため、不純物が除去されやすくなる。
本発明における「細孔面積率」は、四三酸化マンガンの全ての細孔の合計面積に対する所定範囲の直径を有する細孔（例えば、細孔直径０．１μｍ以下の細孔など）の合計面積の比率である。なお、細孔の直径分布及び細孔面積は、水銀圧入法を採用した市販のポロシメーターで測定することができる。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、上記の細孔容積を有していればそのＢＥＴ比表面積は任意である。例えば、本発明の四三酸化マンガン粒子のＢＥＴ比表面積は、２ｍ２／ｇ以上、更には３ｍ２／ｇ以上、またさらには５ｍ２／ｇ以上であることが挙げられる。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、リチウム化合物と混合させる際に粉砕される。そのため、四三酸化マンガン粒子としての充填性は特に制限はないが、タップ密度として１．５ｇ／ｃｍ３未満、さらには１．４ｇ／ｃｍ３以下であることが例示できる。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、その粒子径分布が単分散（ｍｏｎｏｍｏｄａｌ）でなくてもよく、その最頻粒子径と平均粒子径とが異なっていてもよい。
最頻粒子径とは、最も頻度の高い粒子径である。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、最頻粒子径が平均粒子径よりも大（すなわち、最頻粒子径＞平均粒子径）となりやすい。そのため、最頻粒子径は平均粒子径の１．０５倍以上（すなわち、最頻粒子径／平均粒子径≧１．０５）、更には１．１倍以上（すなわち、最頻粒子径／平均粒子径≧１．１）、更には１．３倍以上（すなわち、最頻粒子径／平均粒子径≧１．３）であってもよい。
具体的な、最頻粒子径として、６μｍ以上、更には９μｍ以上、特には１１μｍ以上であることが挙げられる。
本発明における「タップ密度」は、一定条件で容器をタッピングして得られる粉末のかさ密度である。そのため、粉末を容器に充填し、一定の圧力で加圧成型をした状態の粉末の密度、いわゆるプレス密度とは異なる。タップ密度は、例えば、後述する実施例に示す方法で測定できる。
本発明の四三酸化マンガン粒子は上記の細孔容積を有していれば、その粒子径は任意である。例えば、本発明の四三酸化マンガン粒子の平均粒子径は５μｍ以上であり、好ましくは１０μｍ以上であることが挙げられる。一方、平均粒子径の上限としては、５０μｍ以下であること、さらには２０μｍ以下であることが例示できる。
本発明の四三酸化マンガン粒子の平均粒子径とは、平均一次粒子径が２μｍ以下の四三酸化マンガンが凝集した二次粒子の平均粒子径を意味する。
本発明において、一次粒子及び二次粒子の平均粒子径とは、いずれも体積平均粒子径を意味する。
四三酸化マンガン粒子を構成する四三酸化マンガンの結晶構造はスピネル構造である。この結晶構造は、ＪＣＰＤＳパターンのＮｏ．２４−７３４のＸ線回折パターンと同等のＸ線回折パターンを示す。
四三酸化マンガンの化学式はＭｎ３Ｏ４と表わされる。そのため、四三酸化マンガンをＭｎＯｘで表記した場合において、そのマンガン元素と酸素元素の比ｘは、ｘ＝１．３３〜１．３４となる。しかしながら、本発明の四三酸化マンガン粒子を構成する四三酸化マンガンのマンガンと酸素の比ｘは１．３３〜１．３４に限定されるものではない。本発明の四三酸化マンガンは、上記の結晶構造を有しており、ＭｎＯｘで表記した場合において、ｘ＝１．２０〜１．４０の範囲で表されるマンガン酸化物であってもよい。ｘは１．２５〜１．４０であることが好ましく、１．３０〜１．４０であることがより好ましい。
充放電サイクル特性を高くする観点から、本発明の四三酸化マンガン粒子は、Ｃａ含有量が１００重量ｐｐｍ以下であることがより好ましく、６０重量ｐｐｍ以下であることが更に好ましく、３０重量ｐｐｍ以下であることが特に好ましい。Ｃａ含有量は少ないほど好ましい。ただし、四三酸化マンガン粒子が５重量ｐｐｍのＣａを含有していても、リチウムマンガン系複合酸化物用の原料とした場合の影響はほとんどない。
充放電サイクル特性を高くする観点から、本発明の四三酸化マンガン粒子は、Ｍｇ含有量が５０重量ｐｐｍ以下であることが更に好ましく、２０重量ｐｐｍ以下であることが特に好ましい。また、Ｍｇ含有量は少ないほど好ましい。ただし、四三酸化マンガン粒子が１重量ｐｐｍのＭｇを含有していても、リチウムマンガン系複合酸化物用の原料とした場合の影響はほとんどない。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、充放電サイクル特性を高くする観点から、不純物として硫酸根（ＳＯ４ ２−）の含有量が少ないことが好ましい。マンガン酸化物における硫酸根の含有量は、１重量％以下であることが好ましく、０．５重量％以下であることがより好ましく、０．３重量％以下であることが更に好ましい。
次に、本発明の四三酸化マンガン粒子の製造方法について説明する。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、マンガン塩水溶液から四三酸化マンガンを直接晶析する晶析工程を有する四三酸化マンガン粒子の製造方法であって、当該晶析工程において、酸化還元電位が０ｍＶ以上であり、なおかつＯＨ−／Ｍｎ２＋（ｍｏｌ／ｍｏｌ）（以下において、「マンガンモル比」とする）が０．５５以下でマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合してスラリーを得、当該スラリーの固形分濃度を２重量％以下とすることを特徴とする製造方法により製造することができる。
本発明は、マンガン塩水溶液から四三酸化マンガンを直接晶析する晶析工程を有する四三酸化マンガン粒子の製造方法である。四三酸化マンガンを直接晶析するとは、マンガン塩水溶液からマンガン水酸化物を経由せずに四三酸化マンガンを得ることである。これには、マンガン塩水溶液からマンガン水酸化物の結晶相が全く生成しない態様、もしくは、マンガン水酸化物の微結晶が短時間析出した後、それが六角板状の結晶に成長する前に四三酸化マンガンに添加する態様を含む。
従って、本発明の晶析工程では、マンガン塩水溶液からマンガン水酸化物結晶を析出させ、これを酸化剤によって酸化する工程を有さない。
本発明の製造方法は、晶析工程において、上記の酸化還元電位及びマンガンモル比となるようにマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合する工程を有する。これにより、マンガン塩水溶液から四三酸化マンガンを直接晶析することができる。即ち、本発明の製造方法では、マンガン水溶液からマンガン水酸化物の結晶を生成する工程を経ずに、四三酸化マンガンを析出させることができる。
ここで、マンガン水溶液から四三酸化マンガンが直接析出する、とは、マンガン水溶液から六角板状のマンガン水酸化物の結晶が生じないことであり、これには、マンガン水酸化物の結晶相が全く生成しない態様、及び、マンガン水酸化物の微結晶が短時間析出した後、それが六角板状の結晶に成長する前に四三酸化マンガンに転化する態様を含む。
なお、六角板状のマンガン水酸化物の結晶が生じたか否かは、得られた四三酸化マンガンの粒子形状を観察することによって判断できる。
従来の製造方法では、最初に還元雰囲気下でマンガン水溶液から水酸化マンガンを生成させる工程と、その後、酸素又は空気等の酸化雰囲気下でこれを酸化して四三酸化マンガンを生成させる工程を有していた。このような製造方法では、四三酸化マンガンを得るために反応雰囲気を工程の途中で変更する必要があった。そのため、このような水酸化マンガンを経由する製造方法では、四三酸化マンガンを連続的に製造することができなかった、もしくは、製造工程が複雑になりやすかった。
これに対し、本発明の製造方法では、上記の酸化還元電位及びマンガンモル比として四三酸化マンガンを製造することで、マンガン塩水溶液から四三酸化マンガンが直接晶析する。そのため、本発明の製造方法では反応雰囲気を工程の途中で変更する必要がない。このように、本発明の製造方法では、製造中の雰囲気を変更する必要がないため、マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液とを混合して連続的に四三酸化マンガン粒子を製造することができる。
本発明の製造方法で使用するマンガン塩水溶液は、マンガンイオンを含有する水溶液であればよく、硫酸マンガン、塩化マンガン、硝酸マンガン、及び酢酸マンガンなどの水溶液や、金属マンガン、マンガン酸化物等を硫酸、塩酸、硝酸、及び酢酸などの各種の酸水溶液に溶解したものを例示することができる。
マンガン塩水溶液のマンガンイオン濃度は任意な濃度を選択することができるが、例えば、マンガンイオン濃度は０．１ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましい。マンガン塩水溶液のマンガンイオン濃度を０．１ｍｏｌ／Ｌ以上とすることで、四三酸化マンガン粒子を効率よく得ることができる。
マンガン塩水溶液の温度は４０℃以上であることが好ましく、６０℃以上、９５℃以下であることがより好ましく、７０℃以上、８０℃以下であることがさらに好ましい。析出をする際のマンガン塩水溶液の温度をこの範囲とすることで、四三酸化マンガンの晶析が促進され、かつ、四三酸化マンガンの粒子径が均一になりやすくなる。
本発明の製造方法で使用するアルカリ水溶液は、アルカリ性を示す水溶液であればよく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水溶液を例示することができる。
アルカリ水溶液の濃度に限定は無く、本発明のマンガンモル比となるように、マンガン塩水溶液の濃度との関係で任意とすることができる。例えば、アルカリ水溶液の水酸化物イオン（ＯＨ−）の濃度は０．１ｍｏｌ／Ｌ以上であること、さらには、０．２ｍｏｌ／Ｌ以上であることが挙げられる。
マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合させる工程では、酸化還元電位を０ｍＶ以上として行う。酸化還元電位が０ｍＶ未満では、四三酸化マンガン以外のマンガン酸化物が生成する。四三酸化マンガンをマンガンイオンから直接晶析しやすくするため、酸化還元電位は４０ｍＶ以上であることが好ましく、６０ｍＶ以上であることがより好ましく、８０ｍＶ以上であることが更に好ましい。
酸化還元電位が高くなることで四三酸化マンガンの単一相が得られやすくなり、３００ｍＶ以下、さらには２００ｍＶ以下であれば、単一相の四三酸化マンガンが一層得られやすくなる。なお、酸化還元電位は標準水素電極（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ＳＨＥ）に対する値として求めることができる。
マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液は、マンガンモル比を０．５５以下として混合する。マンガンモル比が０．５５を超えた場合、四三酸化マンガンの単一相が得られにくくなる。マンガンモル比は０．５２以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましい。
また、マンガンモル比が０．３５以上、好ましくは０．４以上、より好ましくは０．４５以上であれば、四三酸化マンガン粒子が効率よく製造できる。
マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合することで、四三酸化マンガンが晶析し、当該四三酸化マンガンを含んだスラリーが得られる。当該スラリーの固形分濃度は２重量％以下であり、１．５重量％以下とすることが好ましく、１重量％以下とすることがより好ましい。スラリーの固形分濃度が２重量％以下とすることで、四三酸化マンガンの一次粒子が適度な強度で凝集した二次粒子を形成し、これにより本発明の四三酸化マンガン粒子が易粉砕性となる。生産効率の観点から、スラリーの固形分濃度の下限は、固形分濃度として０．１重量％以上であることが例示できる。ここで、固形分濃度とはスラリー中の四三酸化マンガンの濃度である。
スラリーの固形分濃度は上記の範囲とし、なおかつ、一定とすることが好ましい。スラリーの固形分濃度を一定とすることで、得られる四三酸化マンガン粒子の粉砕性が均質になり易い。スラリーの固形分濃度を一定にする方法として、マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液との混合と合わせて、スラリーの一部を抜液することが例示できる。
晶析工程において、当該スラリーにおいて四三酸化マンガンを熟成させることが好ましい。これにより、一次粒子の凝集が促進され、適度な大きさの四三酸化マンガン粒子が得られやすい。工業的な観点から、熟成時間は１０分以上であることが好ましく、３０分以上であることがより好ましく、６０分以上であることが更に好ましい。
ここで、熟成とは、晶析した四三酸化マンガン粒子を当該スラリー中に滞在させることである。
本発明の四三酸化マンガン粒子の製造方法では、酸化剤を使用して四三酸化マンガンを晶析させることが好ましい。酸化剤の種類は特に限定されないが、酸素含有ガス（空気を含む）、及び過酸化水素等が例示できる。簡便に使用できるため、酸化剤として酸素含有ガスを使用することが好ましく、空気を使うことがより好ましい。
本発明の製造方法では、上記の酸化還元電位及びマンガンモル比を満たしてマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液とが混合し、なおかつ、これにより得られるスラリーの固形分濃度が満たされれば、得られる四三酸化マンガン粒子は、一次粒子が適度な強度で凝集した二次粒子となり、易粉砕性となる。そのため、上記の酸化還元電位、マンガンモル比及び得られるスラリーの固形分濃度を満たせば、マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液との混合方法は任意の方法を選択することができる。
混合方法としては、酸化還元電位及びマンガンモル比が本発明の範囲となるようにマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を直接混合する方法、及び、水やスラリーなどの溶媒中に、酸化還元電位及びマンガンモル比が本発明の範囲となるようにマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を添加して、これを混合する方法が例示できる。
マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を十分かつ均一に反応させる観点から、混合方法は溶媒中にマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を添加して、これを混合する方法が好ましい。この場合、溶媒中の酸化還元電位及びマンガンモル比が本発明の範囲となるようにマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合すればよい。より好ましい混合方法として、マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液とを溶媒に対してそれぞれ一定の速度で溶媒に添加して混合する方法や、マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液とのマンガンモル比が本発明のマンガンモル比の範囲となるような添加速度で溶媒中に添加して混合する方法を例示することができる。更に好ましい混合方法として、溶媒に水などのマンガンイオンを含有しないものを使用し、マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液とのマンガンモル比が本発明のマンガンモル比の範囲となるような添加速度で溶媒中に添加して混合する方法を例示することができる。マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液をこのように添加、混合することで、得られるスラリーの固形分濃度が制御しやすくなるだけでなく、四三酸化マンガン粒子の連続的な製造が一層行いやすくなる。
本発明の四三酸化マンガン粒子の製造方法では、マンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合する際に錯化剤を使用しないことが好ましい。本発明における錯化剤とは、アンモニア、アンモニウム塩、ヒドラジン、及びＥＤＴＡの他、これらと同様の錯化能を有するものを指す。
これらの錯化剤は、四三酸化マンガンの析出挙動に影響を及ぼす。そのため、錯化剤の存在下で得た四三酸化マンガン粒子は、本発明の四三酸化マンガン粒子とは細孔容積、凝集状態などが異なるものになりやすい。
このように、本発明の製造方法によれば、易粉砕性の四三酸化マンガン粒子を製造できるだけでなく、リチウム化合物との高い反応性を有する一次粒子が凝集した四三酸化マンガン粒子を製造することができる。
本発明の製造方法により得られる四三酸化マンガン粒子は、これを焼成して三二酸化マンガンとしてもよい。
本発明の四三酸化マンガン粒子は、リチウム複合酸化物のマンガン原料として使用することができる。以下、本発明の四三酸化マンガン粒子をマンガン原料として使用した、リチウム複合酸化物の製造方法について説明する。
本発明のリチウムマ複合酸化物の製造方法は、上述の四三酸化マンガン粒子とリチウム及びリチウム化合物の少なくとも一方とを混合する混合工程と、熱処理する加熱工程と、を有する。
混合工程において、四三酸化マンガン粒子をリチウム化合物と混合する際に、リチウム複合酸化物のリチウム二次電池正極材料の特性を改善するために、異種金属化合物を添加してもよい。異種金属化合物は、構成元素としてマンガン及びリチウムとは異なる金属元素を有する。例えば、構成元素としてＡｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＴｉおよびＺｒの群から選ばれる少なくとも１種以上を含む化合物である。このような異種金属化合物を加えても同様の効果が得られる。
リチウム化合物は、如何なるものを用いてもよい。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等が例示される。好ましいリチウム化合物としては、水酸化リチウム、酸化リチウム、及び炭酸リチウムなどが例示できる。
本発明の四三酸化マンガンを原料として得られたリチウム複合酸化物は、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用することができる。
本発明では、内部まで一次粒子が存在するため適度な強度を有し、なおかつ、易粉砕性の多孔質な四三酸化マンガン粒子を提供することができる。これにより、輸送工程等では取り扱いやすく、なおかつ、混合時にこれを粉砕することで一次粒子を分散させ、リチウム化合物等との反応性を低下させることがない。このように、取扱性に優れ、工業的に取扱いが容易なリチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料とすることができる。さらには、本発明の四三酸化マンガン粒子は、粒子内部にも均質に細孔を有するため、不純物の除去が容易である。
さらに、四三酸化マンガンの製造方法では、このような四三酸化マンガン粒子を簡便、かつ、連続的に製造することができる。
実施例１の四三酸化マンガン粒子の粒子径分布 実施例１の四三酸化マンガン粒子のＳＥＭ写真（図中スケールは１０μｍ） 実施例３の四三酸化マンガン粒子の表面のＳＥＭ写真（図中スケールは１μｍ） 実施例３の四三酸化マンガン粒子の断面のＳＥＭ写真（図中スケールは１μｍ）
次に、本発明を具体的な実施例で説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。各実施例及び比較例の評価は以下の通り行った。
（タップ密度）
試料５ｇを１０ｍＬメスシリンダーに充填し、２００回タッピングした後の密度をタップ密度とした。
（ＳＥＭ観察）
試料を市販の走査型電子顕微鏡（商品名：ＪＳＭ−６３９０ＬＶ型、日本電子社製）により観察した。ＳＥＭ観察は、試料の表面、及び、断面について行った。なお、断面のＳＥＭ観察は、試料を樹脂に包埋し、これを切断した後、切断面を研磨し、得られた平滑面について行った。
（平均一次粒子径）
試料の表面を倍率１００００倍で撮影したＳＥＭ写真において、１００個以上の粒子径を測定し、これを平均して平均一次粒子径とした。
（平均粒子径、最頻粒子径）
四三酸化マンガン粒子の平均粒子径と最頻粒子径の測定には市販の粒度測定装置（商品名：ＭＩＣＲＯＴＲＡＣ ＨＲＡ ９３２０−Ｘ１００，日機装社製）を用いた。なお、測定前に試料を純水に分散させて測定溶液とし、そこにアンモニア水を添加してｐＨ８．５にした。
（Ｘ線回折測定）
試料の結晶相をＸ線回折によって測定した。測定は一般的なＸ線回折装置で測定した。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、および測定範囲は２θとして５°から８０°の範囲で測定した。
（ＢＥＴ比表面積）
試料のＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ１点法の窒素吸着により測定した。なお、ＢＥＴ比表面積の測定に使用した試料は、ＢＥＴ比表面積の測定に先立ち、１５０℃で４０分間加熱して脱気処理を行った。
（化学組成分析）
試料を塩酸と過酸化水素の混合水溶液で溶解し、ＩＣＰ法によりＮａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌｉ、ＳＯ４ ２−及びＭｎ含有量を求めた。
（細孔分布測定）
本発明では、試料の細孔分布を水銀圧入法によって求めた。細孔分布測定は、市販の水銀ポロシメーター（商品名：ポアサイザー９５１０、マイクロメリティクス社製）を用い、圧力範囲を大気圧から４１４ＭＰａまで測定した。当該圧力範囲で測定できる細孔の直径の範囲は０．００３μｍ以上４００μｍ以下である。
細孔分布測定により得られた細孔体積の累積に対する直径１０μｍ以下の細孔の体積の割合を求め、これを直径１０μｍ以下の細孔体積率とした。直径２μｍ以下の細孔体積率についても同様にして求めた。
また、細孔分布測定により得られた細孔体積において最も頻度の高かった直径の細孔を最頻細孔とした。
細孔分布測定により得られた細孔面積の累積に対する直径０．１μｍ以下の細孔の面積の割合を求め、これを１０μｍ以下の細孔面積率とした。直径０．０５μｍ以下の細孔面積率についても同様にして求めた。また、細孔分測定の前処理として、試料を１００℃で静置乾燥した。
［実施例１］
８０℃の純水に空気を吹き込みながら、これを攪拌した。当該純水の酸化還元電位が１００ｍＶと一定になるようにしながら、２ｍｏｌ／Ｌの硫酸マンガン塩水溶液、及び、０．２５ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液をそれぞれ当該純水中に添加することによりマンガン酸化物を析出させ、スラリー（以下において、「混合反応スラリー」という）を得た。
添加する硫酸マンガン塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とのＯＨ−／Ｍｎ２＋（ｍｏｌ／ｍｏｌ）（以下において、「マンガンモル比」とする）が０．４６となるように、硫酸マンガン塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とを連続的に混合反応スラリー中に添加した。
マンガン酸化物が析出した後、混合反応スラリーの抜液速度を調整し、混合反応スラリー中の四三酸化マンガンが固形分濃度で０．９５重量％として８時間反応させた。
反応後、混合反応スラリーを回収し、ろ過、洗浄後、乾燥してマンガン酸化物を得た。
得られたマンガン酸化物のＸ線回折パタ−ンは、ＪＣＰＤＳパターンのＮｏ．２４７３４のＸ線回折パターンと同等のパターンであり、その結晶相はスピネル構造であった。また、当該マンガン酸化物のマンガンの酸化度をＭｎＯｘで表記した場合、ｘ＝１．３４であった。これらの結果から、得られたマンガン酸化物は四三酸化マンガン単一相であることを確認した。
実施例１の四三酸化マンガン粒子の評価結果を表１に示す。
また、得られた四三酸化マンガン粒子について、ＪＩＳ Ｒ１６２８に準じた測定方法による密度（以下において、「ＪＩＳ密度」という）を測定した。その結果、実施例１の四三酸化マンガン粒子のＪＩＳ密度は１．５４ｇ／ｃｍ３であり、タップ密度の１．１倍であった。
［実施例２］
反応時間を１．５時間としたこと以外は実施例１と同様の方法でマンガン酸化物を得た。
得られたマンガン酸化物のＸ線回折パタ−ンは、ＪＣＰＤＳパターンのＮｏ．２４７３４のＸ線回折パターンと同等のパターンであり、その結晶相はスピネル構造であった。また、当該マンガン酸化物のマンガンの酸化度をＭｎＯｘで表記した場合、ｘ＝１．３５であった。これらの結果から、得られたマンガン酸化物は四三酸化マンガン単一相であることを確認した。
実施例２の四三酸化マンガン粒子の評価結果を表１に示す。
［実施例３］
硫酸マンガン塩水溶液の濃度を０．２ｍｏｌ／Ｌとしたこと、及び、反応時間を９時間としたこと以外は実施例１と同様の方法でマンガン酸化物を得た。
得られたマンガン酸化物のＸ線回折パタ−ンは、ＪＣＰＤＳパターンのＮｏ．２４７３４のＸ線回折パターンと同等のパターンであり、その結晶相はスピネル構造であった。また、当該マンガン酸化物のマンガンの酸化度をＭｎＯｘで表記した場合、ｘ＝１．３４であった。これらの結果から、得られたマンガン酸化物は四三酸化マンガン単一相であることを確認した。
実施例３の四三酸化マンガン粒子の評価結果を表１に示す。
［実施例４］
硫酸マンガン塩水溶液の濃度を０．２ｍｏｌ／Ｌとしたこと、混合反応スラリー中の四三酸化マンガンの固形分濃度を０．５６重量％としたこと、及び、反応時間を３０分としたこと以外は実施例１と同様の方法でマンガン酸化物を得た。
得られたマンガン酸化物のＸ線回折パタ−ンは、ＪＣＰＤＳパターンのＮｏ．２４７３４のＸ線回折パターンと同等のパターンであり、その結晶相はスピネル構造であった。また、当該マンガン酸化物のマンガンの酸化度をＭｎＯｘで表記した場合、ｘ＝１．３４であった。これらの結果から、得られたマンガン酸化物は四三酸化マンガン単一相であることを確認した。
実施例４の四三酸化マンガン粒子の評価結果を表１に示す。
［比較例１］
マンガン酸化物が析出した後、混合反応スラリーの抜液速度を調整し、混合反応スラリー中の四三酸化マンガンが固形分濃度で５．４６重量％として４８時間反応させたこと以外は実施例１と同様な方法でマンガン酸化物を得た。
得られたマンガン酸化物のＸ線回折パタ−ンは、ＪＣＰＤＳパターンのＮｏ．２４７３４のＸ線回折パターンと同等のパターンであり、その結晶相はスピネル構造であった。また、当該マンガン酸化物のマンガンの酸化度をＭｎＯｘで表記した場合、ｘ＝１．３４であった。これらの結果から、得られたマンガン酸化物は四三酸化マンガン単一相であることを確認した。
比較例１の四三酸化マンガンは、タップ密度は２．２ｇ／ｃｍ３と充填性が高かったが、その平均一次粒子径が大きく、なおかつ、細孔容積が低かった。
比較例１の四三酸化マンガン粒子の評価結果を表１に示す。
Figure 2013237606
本発明の四三酸化マンガンは、操作性に優れ、工業的に取扱いが容易なリチウムマンガン系複合酸化物のマンガン原料として好適に使用される。

Claims (14)

  1. 平均一次粒子径が２μｍ以下の四三酸化マンガン一次粒子が凝集してなり、細孔の細孔容積が０．４ｍＬ／ｇ以上であることを特徴とする四三酸化マンガン粒子。
  2. 最頻細孔が直径５μｍ以下の細孔であることを特徴とする請求項１に記載の四三酸化マンガン粒子。
  3. 水銀圧入法によって測定される直径１０μｍ以上の細孔の細孔体積率が２０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の四三酸化マンガン粒子。
  4. 平均粒子径が５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
  5. 最頻粒子径が平均粒子径よりも大であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
  6. 硫酸根の含有量が０．５重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
  7. 平均一次粒子径が０．２μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
  8. 細孔の細孔容積が２ｍＬ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子の製造方法であって、マンガン塩水溶液から四三酸化マンガンを直接晶析する晶析工程を有し、当該晶析工程において、酸化還元電位が０ｍＶ以上であり、かつ、ＯＨ−／Ｍｎ２＋（ｍｏｌ／ｍｏｌ）が０．５５以下でマンガン塩水溶液とアルカリ水溶液を混合してスラリーを得、当該スラリーの固形分濃度を２重量％以下とすることを特徴とする製造方法。
  10. 酸化還元電位が６０ｍＶ以上２００ｍＶ以下であることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
  11. 前記晶析工程において、固形分濃度が２重量％以下のスラリーを１０分以上熟成させること特徴とする請求項９又は１０に記載の製造方法。
  12. マンガン塩水溶液の温度が６０℃以上９５℃以下であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の製造方法。
  13. ＯＨ−／Ｍｎ２＋（ｍｏｌ／ｍｏｌ）が０．３５以上であることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の製造方法。
  14. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の四三酸化マンガン粒子とリチウム化合物とを混合する混合工程と、熱処理する加熱工程と、を有するリチウム複合酸化物の製造方法。
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