JP5493236B2 - 正極活物質およびこれを含む正極を備える非水系二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は非水電解質二次電池を長寿命化する為の正極活物質に関するものであり、特に、貯蔵性および充放電サイクル寿命が善改された非水電解液二次電池に関する。
ポータブル機器用の電源として経済性等の点から二次電池が多く使われる。二次電池には様々な種類があり、現在、最も一般的な二次電池がニッケル−カドミウム電池であり、最近、ニッケル水素電池も普及しつつある。一方、リチウムを用いたリチウム二次電池は、これらの二次電池よりも出力電位が高く高エネルギー密度であるために、一部実用化され、更に高性能化するために近年盛んに研究が行われている。このリチウム二次電池の正極材料としては現在市販されているものはＬｉＣｏＯ２である。しかしＬｉＣｏＯ２の原料であるコバルトが高価であるために、より安価な原料であるマンガンを用いたＬｉＭｎ２Ｏ４が注目されている。
しかし、ＬｉＭｎ２Ｏ４は充放電サイクルを繰り返すことにより、正極活物質中のＭｎがＭｎイオンとなって溶出し、溶出したＭｎは充放電の過程で負極上に金属Ｍｎとして析出する。この負極上に析出した金属Ｍｎは電解液中のリチウムイオンと反応し、その結果、二次電池としての大きな容量低下を生じさせる。
これらの点を改良するにあたり種々の方法が採用されている。例えば、特許文献１ではマンガン酸化物の粒子の表面を高分子で覆うことによりマンガンの溶出を防止する方法が、特許文献２ではマンガン酸化物の粒子の表面をホウ素で覆うことによりマンガンの溶出を防止する方法が紹介されている。また、特許文献３、特許文献４及び非特許文献１では、ＬｉＭｎ２Ｏ４結晶中に別の組成を有する類似の構造の物質を包含させる事により、マンガンの溶出を防止することが開示されている。
日本国公開特許公報「特開２０００-２３１９１９号公報（２０００年８月２２日公開）」 日本国公開特許公報「特開平９−２６５９８４号公報（１９９７年１０月７日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００１-１７６５１３号公報（２００１年６月２９日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００３-２７２６３１号公報（２００３年９月２６日公開）」
Mitsuhiro Hibino, Masayuki Nakamura, Yuji Kamitaka, Naoshi Ozawa and Takeshi Yao, Solid State Ionics Volume 177, Issues 26-32, 31 October 2006, Pages 2653-2656.
しかしながら、上記従来の技術では、正極活物質からＭｎの流出を抑制することができるものの、他の不具合が生じるという問題がある。
具体的には、特許文献１、特許文献２に開示された正極活物質では絶縁体である別の物質でＬｉＭｎ２Ｏ４の表面を被覆する為に、ＬｉＭｎ２Ｏ４粒子からの電気抵抗が著しく増加し、二次電池の出力特性が低下するという欠点を有している。
また、特許文献３、特許文献４および非特許文献１に開示された正極活物質では、電極材料にＬｉＭｎ２Ｏ４結晶と類似する構造の物質を包含させることにより、充放電に伴うＬｉＭｎ２Ｏ４のマンガンの溶出を防ぐことで、高温特性を改善しているが、室温におけるサイクル特性については解決されていない。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、電解液中に添加剤等を混合すること無く、Ｍｎの溶出を防止し、長寿命の正極活物質を提供することにある。
本発明の正極活物質は、上記課題を解決するために、主たる結晶相として、マンガンを含有するリチウム含有遷移金属酸化物を含み、非水系二次電池において用いられる正極活物質において、上記リチウム含有遷移金属酸化物と同一の酸素配列を有し、かつ、異なる元素組成である副酸化物および酸化スズ（IV）を含むと共に、回折法によってその存在を確認することができる状態で、上記副酸化物および酸化スズ（IV）を含んでいることを特徴としている。
上記正極活物質は、副酸化物がリチウム含有遷移金属酸化物と同一の酸素配列を有しているため、リチウム含有遷移金属酸化物と親和性よく存在することができる。また、酸化スズ（IV）も含まれており、これらは、上記のように回折法によって検出され、その存在を確認できる。すなわち、回折法によって検出される程度に結晶が残っていることにより、正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、よりサイクル特性に優れることを本発明者らは見出した。
ところで、回折法にはＸ線回折法、中性子回折法、電子線回折法などがある。
上記の構成により、充放電に関与しない、結晶性の高い副酸化物と共に酸化スズ（IV）がマンガンを含有するリチウム含有遷移金属酸化物のリチウムの脱離または挿入に伴う膨張または収縮を物理的に抑制することができる。
その結果、正極活物質を構成する結晶粒子群の変形を低下させることができ、その結果、結晶粒子群の割れ等による容量低下を低減させることができる。すなわち、電解液中に添加剤等を混合すること無く、Ｍｎの溶出を防止し、長寿命の正極活物質を提供することができる。
また、本発明の正極活物質では、上記副酸化物は、典型元素およびマンガンを含むことが好ましい。
副酸化物が典型元素およびマンガンを含むことによって、リチウム含有遷移金属酸化物と共通の酸素配列を介して構成される副酸化物がさらに安定化される。これにより、副酸化物および酸化スズ（IV）によって、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。
また、本発明の正極活物質では、上記副酸化物は、亜鉛およびマンガンを含むことが好ましい。
副酸化物が、亜鉛およびマンガンを含んでいることによって、副酸化物の酸素配列を非常に安定化させることができるので、副酸化物および酸化スズ（IV）によって、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。
また、本発明に係る正極活物質では、主たる結晶相、上記副酸化物および酸化スズ（IV）を含む全体の組成を一般式Ａ
Ｌｉ１−ｘＭ１２−２xＭ２ｘＭ３２ｘＯ４-ｙ・・・（一般式Ａ）
（但し、Ｍ１はマンガンあるいはマンガンと遷移金属元素の少なくとも１種類以上の元素、Ｍ２およびＭ３は、遷移金属元素および金属の、半導体のまたは半金属の典型元素からなる群から選ばれる少なくとも１種類以上の元素である。また、ｙはｘと電気的中性を満足する値である。）
で示す時、０．０１≦ｘ≦０．２０であることが好ましい。また、０≦ｙ≦２．０であることが好ましく、０≦ｙ≦１．０であるとさらに好ましく、０≦ｙ≦０．５であれば特に好ましい。また、ｙはｘと電気的中性を満足する値であり、ｙ＝０となる場合もある。
副酸化物および酸化スズ（IV）の割合、すわなち、ｘが上記の範囲であれば、放電容量の低下を招くことなく、また、正極活物質からＭｎの拡散を防ぐ効果が低下し、サイクル特性の効果が少なくなることを回避することができる。
また、本発明の正極活物質では、上記リチウム含有遷移金属酸化物に含有される遷移金属は、マンガンのみであることが好ましい。
この場合、リチウム含有酸化物を簡便に合成することができるという利点がある。ここで、遷移金属は不完全に電子が満たされたd軌道をもつ元素、あるいはそのような陽イオンを生じる元素であり、典型元素はそれ以外の元素を指す。例えば、亜鉛原子Ｚｎの電子配置は1ｓ２２ｓ２２ｐ６３ｓ２３ｐ６４ｓ２３ｄ１０であり、亜鉛の陽イオンはＺｎ２＋で、１ｓ２２ｓ２２ｐ６３ｓ２３ｐ６３ｄ１０である。原子も陽イオンも３ｄ１０であり、「不完全に満たされたｄ軌道」を持たないので、Ｚｎは典型元素である。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝１８．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ａと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｂとのピーク強度比Ｂ／Ａが、０＜Ｂ／Ａ＜２．２であることが好ましい。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝０．５）が、０＜Ｄ／Ｃ（α＝０．５）＜２であることが好ましい。ここで、薄膜Ｘ線回折法とは正極活物質に対する入射角αを低角度に固定して２θ走査で測定する非対称回折法のことを指す。なお、ここで、薄膜Ｘ線回折法とは正極活物質に対する入射角αを低角度に固定して２θ走査で測定する非対称回折法のことを指す。非対称回折法における上記低角度は、具体的には０．１度から５度までの範囲とすることができる。なお、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）が、０＜Ｄ／Ｃ（α＝５）＜１であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝０．５）、および、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）が、Ｄ／Ｃ（α＝０．５）＞Ｄ／Ｃ（α＝５）であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝０．５）が、０＜Ｆ／Ｅ（α＝０．５）＜１．８であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）が、０＜Ｆ／Ｅ（α＝５）＜１．５であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝０．５）、および、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）が、Ｆ／Ｅ（α＝０．５）＞Ｆ／Ｅ（α＝５）であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピークの半値幅Ｇが、０．３°＜Ｇ＜０．６°であることが好ましい。なお、Ｇは２θで表した値である。
上記のＸ線回折法によって観測される回折ピークが上記の関係を満たすことによって、本発明に係る正極活物質であるという確証を得ることができる。
また、本発明の正極活物質では、上記副酸化物に含有されるマンガンおよびマンガン以外の元素Ｍの元素比Ｍｎ／Ｍが、２＜Ｍｎ／Ｍ＜４であることが好ましい。
また、本発明の正極活物質では、上記副酸化物に含有されるマンガンおよび亜鉛の元素比Ｍｎ／Ｚｎが、２＜Ｍｎ／Ｚｎ＜４であることが好ましい。
亜鉛およびマンガンの元素比が上記の範囲内であれば、好ましくＭｎの溶出を低減できる。
また、本発明の正極活物質では、主たる結晶相の格子定数が、８．２２Å以上、８．２４Å以下であることが好ましい。
リチウム含有遷移金属酸化物の格子定数が上記の範囲であることによって、副酸化物がリチウム含有遷移金属酸化物と共通の酸素配列を有し易くなるという好ましい効果を得ることができる。
また、本発明の非水系二次電池は、正極、負極および非水系のイオン伝導体を備える非水系二次電池において、上記負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを挿入または脱離可能な負極活物質を含んでおり、上記正極は上記正極活物質を含むものである。
上記発明によれば、Ｍｎの溶出の低減が実現でき、サイクル特性が大きく向上された非水電解質二次電池の提供が可能である。さらに、放電容量の低下が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
本発明の正極活物質は、以上のように、上記リチウム含有遷移金属酸化物と同一の酸素配列を有し、かつ、異なる元素組成である副酸化物および酸化スズ（IV）を含むと共に、回折法によってその存在を確認することができる状態で、上記副酸化物および酸化スズ（IV）を含んでいるものである。
それゆえ、正極活物質を構成する結晶粒子群の変形を低下させることができ、その結果、結晶粒子群の割れ等による容量低下を低減させることができる。すなわち、電解液中に添加剤等を混合すること無く、Ｍｎの溶出を防止し、長寿命の正極活物質を提供することができるという効果を奏する。
本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明によって明白になるであろう。
粉末Ｘ線回折法による観測結果を示すグラフである。 薄膜Ｘ線回折法による観測結果を示すグラフである。 薄膜Ｘ線回折法による観測結果を示すグラフである。
以下、本発明を更に詳しく説明する。なお、本明細書において、非水電解質二次電池用正極活物質を正極活物質、非水電解質二次電池用正極を正極、非水電解質二次電池を二次電池、上記リチウム含有遷移金属酸化物をリチウム含有酸化物と適宜略す。
＜正極活物質＞
本発明に係る正極活物質は、主たる結晶相（以下、単に主結晶相と適宜略す）を含み、さらに、副酸化物および酸化スズ（IV）を含んでいる。主結晶相の結晶構造は、マンガンを含有するリチウム含有酸化物（リチウム含有遷移金属酸化物）から構成されている。上記リチウム含有酸化物は、一般的にスピネル型構造を有することが多いが、スピネル型構造を有していなくとも本願のリチウム含有酸化物として用いることができる。
上記リチウム含有酸化物は、少なくともリチウム、マンガンおよび酸素を含んだ組成を有している。また、マンガン以外の遷移金属が実質的に含まれていてもよい。マンガン以外の遷移金属としては、正極活物質の作用を妨げなければ特に限定されるものでないが、具体的には、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏなどを挙げることができる。しかしながら、上記リチウム含有酸化物は遷移金属として、マンガンのみを含んでいる場合、リチウム含有酸化物を簡便に合成することができる観点から好ましい。
上記リチウム含有酸化物は、一般的にスピネル型構造を有することが多く、スピネル型構造の場合、マンガンを含む遷移金属をＭとすると表記的にはＬｉ：Ｍ：Ｏ＝１：２：４と表すことができる。
しかし、一般的に知られるようにスピネル型構造はＬｉ：Ｍ：Ｏ＝１：２：４という組成比からずれることが多く、本発明の正極活物質においても同様であり、主結晶相であるマンガンを含有するリチウム含有遷移金属酸化物は１：２：４の組成比に限定されるものではなく、Ｌｉと遷移金属と酸素からなり、スピネル構造を有するものであれば、同様の効果が得られる。
具体的には、Ｌｉ：Ｍ：Ｏが１：２：４である、ＬｉＭ２Ｏ４や、Ｌｉ：Ｍの比は２であるが酸素量が異なる、ＬｉＭ２Ｏ３．５からＬｉＭｎ２Ｏ４．５などの不定比化合物、あるいはＬｉ４Ｍ５Ｏ１２等が挙げられる。
また、本発明の正極活物質では、主たる結晶相の格子定数が、８．２２Å以上、８．２４Å以下であることが好ましい。リチウム含有遷移金属酸化物の格子定数が上記の範囲であることによって、リチウム含有遷移金属酸化物の間隔および配列が、同一の酸素配列を有する副酸化物の任意の面の酸素配列の酸素原子同士の間隔および配列と一致することにより、副酸化物と主結晶相とが親和性良く接合することが可能となる。このため、副酸化物が主結晶相の粒界及び界面において安定に存在することができる。
本実施の形態に係る正極活物質は、副酸化物を含んでいる。副酸化物は、上記リチウム含有酸化物と同一の酸素配列を有し、かつ、異なる元素組成であるものである。酸素配列がリチウム含有酸化物と同じであることにより、副酸化物が主結晶相であるマンガンを含有するリチウム含有酸化物の粒界及び界面に親和性良く存在することができる。ここで、同一の酸素配列を有するとは、リチウム含有酸化物および副結晶相が立方最密を基本とする酸素配列をともに有することを示す。なお、この酸素配列は完全な立方最密構造でなくてもよく、具体的には任意の軸方向に歪んでいてもよく、また一部の酸素欠陥があってもよく、あるいは酸素の欠損が規則的に配列していてもよい。その副結晶相は立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶、三方晶、六方晶あるいは三斜晶のいずれかである。立方晶の化合物の例としてＭｇＡｌ２Ｏ４が、正方晶の化合物の例としてＺｎＭｎ２Ｏ４が、斜方晶の化合物の例としてＣａＭｎ２Ｏ４が挙げられる。なおこれらの副結晶相の組成は化学量論的である必要は無くＭｇやＺｎの一部がＬｉなどの他の元素で置換されていてもよいし、あるいは欠陥を含んでいてもよい。
このように副酸化物の酸素配列が、リチウム含有酸化物の酸素配列と同一である場合、この同一の酸素配列を介して副酸化物と主結晶相が親和性良く接合することが可能となるために、副酸化物が主結晶相において安定に存在することができる。
また、上記副酸化物は、典型元素およびマンガンを含むことが好ましく、亜鉛およびマンガンを含むことがさらに好ましい。これにより、リチウム含有遷移金属酸化物と共通の酸素配列介して構成される副酸化物を非常に安定化させることができる。その結果、副酸化物および酸化スズ（IV）によって、リチウム含有遷移金属酸化物の膨張または収縮をさらに抑制することができ、Ｍｎの溶出をさらに低減させることができる。
本発明の正極活物質において副酸化物および酸化スズ（IV）の混合量が多い場合、正極活物質を二次電池の正極材料として用いた場合、リチウム含有酸化物の相対量が減少することとなり、正極活物質の放電容量を減少させるおそれがある。一方、副酸化物および酸化スズ（IV）の混合量が少ない場合、主結晶相からのＭｎの溶出を抑制させる効果が低減し、二次電池のサイクル特性を向上させる効果が低減するため好ましくない。
これらの事を考慮すると、正極活物質に対する上記副酸化物および酸化スズ（IV）の混合量は、放電容量の低下と、サイクル特性を向上させる効果とのバランスを考慮すると、一般式Ａにおいて、ｘの範囲が０．０１≦ｘ≦０．２０であることが好ましく、０．０２≦ｘ≦０．１０であることがさらに好ましく、０．０３≦ｘ≦０．０７であることが非常に好ましい。
なお、別スピネルは、固相法で合成したものを混合してもよいし、水熱法等で合成したものを使用してもよい。
ここで、別スピネルとは上記リチウム含有酸化物と同様にスピネル型構造を有する化合物である。上記別スピネルは、本発明に係る正極活物質に含まれる、主たる結晶相、副酸化物および酸化スズ（IV）を合成する上で必要である。
さらに、本発明に係る正極活物質は、酸化スズ（IV）を含んでいる。このように、正極活物質に酸化スズ（IV）が含まれていればよく、副酸化物に含まれていてももちろんよい。また、酸化スズ（IV）の原料となる材料については、限定されるものではない。
なお、正極活物質に対する酸化スズ（IV）の具体的な混合量は、一般式Ａにおいてｘの範囲が０．０１≦ｘ≦０．１０であることが、Ｍｎの溶出をより抑えることができるため好ましい。
本実施の形態に係る正極活物質は、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によってその存在を確認することができる状態で、上記副酸化物および酸化スズ（IV）を含んでいる。換言すると、本実施の形態に係る正極活物質は、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によってその存在を確認することができる混合量にて、上記副酸化物および酸化スズ（IV）を含んでいるともいえる。すなわち、正極活物質における副酸化物、および、酸化スズ（IV）は、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって検出され、副酸化物および酸化スズ（IV）の存在が確認されることが可能である。
このように、粉末Ｘ線回折法によって検出される程度に結晶が残っていることにより、正極活物質を二次電池の材料として用いた場合、よりサイクル特性に優れることを本発明者らは見出した。
これにより、充放電に関与しない、結晶性の高い副酸化物と共に酸化スズ（IV）が、マンガンを含有するリチウム含有遷移金属酸化物のリチウムの脱離または挿入に伴う膨張または収縮を物理的に抑制することができる。
その結果、正極活物質を構成する結晶粒子群の変形を低下させることができ、その結果、結晶粒子群の割れ等による容量低下を低減させることができる。すなわち、電解液中に添加剤等を混合すること無く、Ｍｎの溶出を防止し、長寿命の正極活物質を提供することができる。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝１８．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ａと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｂとのピーク強度比Ｂ／Ａが、０＜Ｂ／Ａ＜２．２であることが好ましい。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝０．５）が、０＜Ｄ／Ｃ（α＝０．５）＜２であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）が、０＜Ｄ／Ｃ（α＝５）＜１であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝０．５）、および、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）が、Ｄ／Ｃ（α＝０．５）＞Ｄ／Ｃ（α＝５）であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝０．５）が、０＜Ｆ／Ｅ（α＝０．５）＜１．８であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）が、０＜Ｆ／Ｅ（α＝５）＜１．５であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝０．５）、および、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）が、Ｆ／Ｅ（α＝０．５）＞Ｆ／Ｅ（α＝５）であることが好ましい。但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。
また、本発明の正極活物質では、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピークの半値幅Ｇが、０．３°＜Ｇ＜０．６°であることが好ましい。なお、Ｇは２θで表した値である。
上記のＸ線回折法によって観測される回折ピークが上記の関係を満たすことによって、本発明に係る正極活物質であるという確証を得ることができる。
＜二次電池の製造方法＞
二次電池の製造方法について以下に説明する。まず、正極活物質の原料となる別スピネルの製造方法について説明する。
〔別スピネルの製造〕
別スピネルを製造する方法としては、特に限定されるものではなく、公知の固相法、水熱法などを用いることができる。また、ゾルゲル法、噴霧熱分解法を用いてもよい。
固相法によって、別スピネルを製造する場合、別スピネルに含まれる元素を含む原料が使用される。上記原料としては、上記元素を含む酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩などの塩化物を用いることができる。
具体的には、二酸化マンガン、炭酸マンガン、硝酸マンガン、酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、酸化亜鉛、炭酸亜鉛、硝酸亜鉛、酸化鉄、炭酸鉄、硝酸鉄、酸化スズ（IV）、炭酸スズ、硝酸スズ、酸化チタン、炭酸チタン、硝酸チタン、五酸化バナジウム、炭酸バナジウム、硝酸バナジウム、酸化コバルト、炭酸コバルト、硝酸コバルトなどを例示することができる。
また、上記原料として、別スピネルに含まれる元素Ｍ（Ｍはマンガン、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、スズ、チタン、バナジウムなど）を含んだ金属アルコキシドの加水分解物Ｍ(ＯＨ)Ｘ（Ｘは元素Ｍの価数）、上記元素Ｍを含んだ金属イオンの溶液を用いることもでき、上記金属イオンの溶液は増粘剤またはキレート剤と混合された状態にて原料として用いられる。
上記増粘剤およびキレート剤としては、公知の増粘剤を用いればよく特に限定されるものではない。例えば、エチレングリコール、カルボキシメチルセルロースなどの増粘剤、および、エチレンジアミン四酢酸、エチレンジアミンなどのキレート剤を例示することができる。
原料中の元素量が目的となる別スピネルの組成比となるように、上記原料を混合して焼成することによって、別スピネルを得ることができる。焼成温度は用いる原料の温度によって調整されるため、一義的に設定することは困難であるが、概して４００℃以上、１５００℃以下の温度にて焼成を行うことができる。焼成を行う雰囲気は、不活性雰囲気であってもよいし、酸素を含む雰囲気であってもよい。
また、密閉容器中に別スピネルに含まれる元素を含む原料である酢酸塩や塩化物等をアルカリ性の水溶液に溶解し、これを加熱する水熱法によっても合成が可能である。水熱法でスピネル型化合物を合成した場合、得られたスピネル型化合物を次の正極活物質を製造する工程にて用いてもよいし、得られたスピネル型化合物に対し熱処理等を行った後に、正極活物質を製造する工程にて用いてもよい。
上記の方法によって得られた別スピネルの平均粒径が１００μｍより大きい場合は、平均粒径を小さくすることが好ましい。例えば、乳鉢や遊星式ボールミル等で粉砕して粒径を小さくすること、または、メッシュ等によってスピネル型化合物の粒径を分別して平均粒子径の小さなスピネル型化合物を次工程で用いることが挙げられる。
〔正極活物質の製造〕
次に、（１）別スピネルを単一相の状態にて合成し、その後、得られた別スピネルに、リチウム含有酸化物の原料であるリチウム源材料とマンガン源材料とを混合して焼成することによって正極活物質を製造する、または、（２）別スピネルを単一相の状態にて合成し、さらに、別途、合成したリチウム含有酸化物と混合して焼成することによって正極活物質を製造する。上述のように、本実施の形態に係る正極活物質は、予め得られた別スピネルを用いる方法により製造される。
上記（１）の方法を用いる場合、まず、別スピネルと、所望のリチウム含有酸化物に応じたリチウム源材料およびマンガン源材料とを配合する。
上記リチウム源材料としては、炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウムなどを挙げることができる。また、上記マンガン源材料としては、二酸化マンガン、硝酸マンガン、酢酸マンガン、炭酸マンガンなどを挙げることができる。なお、マンガン源材料としては、電解二酸化マンガンを用いることが好ましい。
また、マンガン源材料にマンガン以外の遷移金属を含有する遷移金属原料を併用してもよい。上記遷移金属としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏなどを挙げることができ、遷移金属原料としては、上記遷移金属の酸化物、および、炭酸塩、塩酸塩などの塩化物を用いることができる。
混合するリチウム源材料およびマンガン源材料（遷移金属原料を含む）を選定した後に、上記リチウム源材料中のＬｉの比率と、マンガン源材料（遷移金属原料を含む）の比率とを、所望のリチウム含有酸化物の比率となるようにリチウム源材料およびマンガン源材料（遷移金属原料を含む）をスピネル型化合物に配合する。例えば、所望のリチウム含有酸化物がＬｉＭ２Ｏ４の場合（Ｍはマンガンおよび遷移金属）、ＬｉとＭとの比率が１：２となるように、リチウム源材料およびマンガン源材料（遷移金属原料を含む）の配合量を設定する。
別スピネル、リチウム源材料およびマンガン源材料を設定した配合量にて配合した後、これらを均一に混合する（混合工程）。混合の際には、乳鉢、遊星型ボールミル等の公知の混合器具を用いて行えばよい。
混合方法として、別スピネル、リチウム源材料及びマンガン源材料の全量を一度に混合してもよいし、別スピネルの全量に対してリチウム源材料およびマンガン源材料を少量ずつ追加しながら混合してもよい。後者の場合、別スピネルの濃度を徐々に低下させることができ、より均一に混合を行うことができるので好ましい。
混合された原料に対し、さらに焼成を行うことによって正極活物質を製造する（焼成工程）。上記混合された原料は、焼成の便宜上、ペレット状に加圧成形して焼成することが好ましい。焼成温度は、混合された原料の種類によって設定されるが、概して４００℃以上、１０００℃以下の温度範囲にて焼成を行うことができる。また、概して焼成時間は１２時間以下が好ましい。
焼成は空気雰囲気下で行ってもよく、空気中よりも酸素濃度を高めた雰囲気下で行ってもよい。また焼成工程は数回繰り返してもよい。その場合、１回目の焼成（仮焼成）温度と２回目以降の焼成温度を同じにしてもよいし、異なる温度で焼成してもよい。さらに、焼成を複数回繰り返す場合、複数の焼成工程の間に一旦試料を粉砕して再度ペレット状に加圧形成することもできる。
正極活物質の製造方法としては、スピネル化合物であるＺｎ２ＳｎＯ４を単一相の状態で合成し、その後、リチウム源材料およびＭｎ原料を混合して焼成する方法によって得られた正極活物質が、二次電池のサイクル特性を大きく向上させることできるため非常に好ましい。
〔正極の製造〕
上述のようにして得られた正極活物質は、以下の手順にて正極に加工される。正極は、上記正極活物質、導電剤、結着剤を混合した合剤を用いて形成される。
上記導電材としては公知の導電材を用いることができ、特に限定されるものではない。一例として、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素類、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）粉末、金属粉末、金属繊維等を挙げることができる。
上記結着材としては公知の結着材を用いることができ、特に限定されるものではない。一例として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー等のポリオレフィン系ポリマー、スチレンブタジエンゴム等を挙げることができる。
導電材および結着材の適切な混合比は、混合する導電材および結着材の種類により異なるため、一義的に設定することは困難であるが、概して正極活物質１００重量部に対して、導電材を１重量部以上、５０重量部以下、結着材を１重量部以上、３０重量部以下とすることができる。
導電材の混合比が１重量部未満であると、正極の抵抗あるいは分極等が大きくなり、放電容量が小さくなるため、得られた正極を用いて実用的な二次電池が作製できないこととなる。一方、導電材の混合比が５０重量部を超えると正極内に含まれる正極活物質の混合比率が減少するため、正極としての放電容量が小さくなる。
また、結着材の混合量が、１重量部未満であると結着効果が発現しないおそれがある。一方、３０重量部を超えると、導電材の場合と同様に、電極内に含まれる活物質量が減り、さらに、上記に記載のように、正極の抵抗あるいは分極等が大きくなり、放電容量が小さくなるため実用的ではない。
合剤には、導電剤や結着剤の他、フィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤およびその他の各種添加剤を用いることができる。フィラーは、構成された二次電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば特に限定されることなく用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレン、などのオレフィン系ポリマー、ガラスなどの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、上記合剤に対して０重量部以上、３０重量部以下であることが好ましい。
上記正極活物質、導電剤、結着剤、および、各種添加剤などを混合した合剤を正極として形成する方法としては、特に限定されるものではない。一例として、合剤を圧縮によってペレット状の正極を形成する方法、合剤に適切な溶媒を添加してペーストを形成し、このペーストを集電体上に塗布した後に、乾燥、さらに圧縮を行うことによってシート状の正極を形成する方法などが挙げられる。
正極中の正極活物質から、または、正極活物質への電子の授受は、集電体によって行われる。このため、得られた正極活物質には集電体を配置する。上記集電体としては、金属単体、合金、炭素などが用いられる。例えば、チタン、アルミニウムなどの金属単体、ステンレス鋼などの合金、カーボンなどを挙げることができる。また、銅、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、チタン、銀の層が形成されたもの、または、銅、アルミニウムやステンレス鋼の表面を酸化した集電体を用いることもできる。
集電体の形状は、箔の他、フィルム、シート、ネット、パンチされた形状を挙げることができ、集電体の構成としては、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などを挙げることができる。集電体の厚さは１μｍ以上、１ｍｍ以下のものが用いられるが特に限定はされない。
〔負極の製造〕
本発明の二次電池が有する負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを挿入または脱離可能な負極活物質を含むものである。換言すると、上記負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを吸蔵または放出可能な負極活物質を含むものということもできる。
上記負極活物質としては公知の負極活物質を用いればよい。一例として、リチウム合金類：金属リチウム、リチウム／アルミ合金、リチウム／スズ合金、リチウム／鉛合金、ウッド合金など、電気化学的にリチウムイオンをドープおよび脱ドープできる物質：導電性高分子（ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン等）、熱分解炭素、触媒の存在下で気相熱分解された熱分解炭素、ピッチ、コークス、タール等から焼成した炭素、セルロース、フェノール樹脂等の高分子より焼成した炭素など、リチウムイオンのインターカレーション／デインターカレーションの可能な黒鉛：天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など、および、リチウムイオンをドープおよび脱ドープできる無機化合物：ＷＯ２、ＭｏＯ２などの物質を挙げることができる。これらの物質は、単独で用いてもよいし、複数種類からなる複合体を用いることもできる。
これらの負極活物質のうち、熱分解炭素、触媒の存在下で気相熱分解された熱分解炭素、ピッチ、コークス、タール等から焼成した炭素、高分子より焼成した炭素などや、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等）を用いると、電池特性、特に安全性の面で好ましい二次電池を作製することができる。特に、高電圧の二次電池を作製するためには黒鉛を用いることが好ましい。
負極活物質に導電性高分子、炭素、黒鉛、無機化合物等を用いて負極とする場合、導電材と結着材が添加されてもよい。
導電材には、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素類や、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）粉末、金属粉末、金属繊維等を用いることができるがこれに限定されるものではない。
また、結着材には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー等のポリオレフィン系ポリマー、スチレンブタジエンゴム等を用いることができるがこれに限定されるものではない。
〔イオン伝導体および二次電池の形成方法〕
本発明に係る二次電池を構成するイオン伝導体としては、公知のイオン伝導体を用いることができる。例えば、有機電解液、固体電解質（無機固体電解質、有機固体電解質）、溶融塩などを用いることができ、この中でも有機電解液を好適に用いることができる。
有機電解液は有機溶媒と電解質とから構成される。有機溶媒として、非プロトン性有機溶媒であるプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトンなどのエステル類、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランなどの置換テトラヒドロフラン類、ジオキソラン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタンなどのエーテル類、ジメチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチルなどの一般的な有機溶媒を挙げることができる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上の混合溶媒として使用してもよい。
また電解質として、過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム、リンフッ化リチウム、６フッ化砒酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ハロゲン化リチウム、塩化アルミン酸リチウム等のリチウム塩が挙げられ、これらは１種または２種以上を混合して使用される。上述の溶媒に対し適切な電解質を選択し、両者を溶解することによって有機電解液を調製する。なお、有機電解液を調製する際に使用する溶媒、電解質は、上記に掲げたものに限定されるものではない。
固体電解質である無機固体電解質としては、Ｌｉの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などを挙げることができる。例えば、Ｌｉ３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ４ＳｉＯ４、硫化リン化合物、Ｌｉ２ＳｉＳ３などを挙げることができる。
固体電解質である有機固体電解質としては、有機電解液を構成する上記電解質と電解質の解離を行う高分子とから構成された物質、高分子にイオン解離基を持たせた物質などが挙げられる。
電解質の解離を行う高分子として、例えば、ポリエチレンオキサイド誘導体もしくは該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体もしくは該誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマーなどを挙げることができる。また、その他に上記非プロトン性極性溶媒を含有させた高分子マトリックス材料、イオン解離基を含むポリマーと上記非プロトン性電解液との混合物、ポリアクリロニトリルを上記電解液に添加する方法もある。また、無機固体電解質および有機固体電解質を併用する方法も知られている。
二次電池内において、上記電解液を保持するためのセパレータとしては、電気絶縁性の合成樹脂繊維、ガラス繊維、天然繊維などの不織布、織布、ミクロポア構造材料、アルミナなどの粉末の成形体などが挙げられる。中でも合成樹脂のポリエチレン、ポリプロピレンなどの不織布、ミクロポア構造体が品質の安定性などの点から好ましい。これら合成樹脂の不織布およびミクロポア構造体では電池が異常発熱した場合、セパレータが熱により溶解して正極と負極の間を遮断する機能を付加したものもあり、安全性の観点からこれらも好適に使用することができる。セパレータの厚みは特に限定はないが、必要量の電解液を保持することが可能で、かつ正極と負極との短絡を防ぐ厚さがあればよい。通常、０．０１ｍｍ以上、１ｍｍ以下程度のものを用いることができ、好ましくは０．０２ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下程度である。
二次電池の形状はコイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角型などいずれにも適用できる。コイン型およびボタン型の場合、正極および負極をペレット状に形成し、蓋を備える缶構造の電池缶に正極および負極を入れ、絶縁パッキンを介して蓋をかしめる（固定する）方法が一般的である。
一方、円筒型および角型の場合、シート状の正極および負極を電池缶に挿入し、二次電池とシート状の正極および負極とを電気的に接続し、電解液を注入し、絶縁パッキンを介して封口板を封口する、または、ハーメチックシールにより封口板と電池缶とを絶縁して封口し二次電池を作製する。このとき、安全素子を備えつけた安全弁を封口板として用いることができる。安全素子には、例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バイメタル、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子などが挙げられる。また、安全弁のほかに電池缶の内圧上昇の対策として、ガスケットに亀裂を入れる方法、封口板に亀裂を入れる方法、電池缶に切り込みを入れる方法等を用いる。また、過充電や過放電対策を組み込んだ外部回路を用いてもよい。
ペレット状またはシート状の正極および負極は、予め乾燥または脱水されていることが好ましい。乾燥および脱水方法としては、一般的な方法を利用することができる。例えば、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低湿風等を単独あるいは組み合わせて用いる方法が挙げられる。温度は５０℃以上、３８０℃以下の範囲であることが好ましい。
上記電池缶への電解液の注入は、電解液に注入圧力を加える方法、負圧と大気圧との気圧差を利用する方法などが挙げられるが、上記に掲げた方法に限定されない。電解液の注入量も特に限定されないが、正極および負極とセパレータとが完全に浸る量であることが好ましい。
作製した二次電池の充放電方法としては、定電流充放電方法、定電圧充放電方法および定電力充放電方法があり、電池の評価目的に応じて使い分けることが好ましい。上記方法は、単独あるいは組み合わせて充放電を行ってもよい。
本発明に係る二次電池の正極は上記正極活物質を含んでいるため、Ｍｎの溶出の低減が実現でき、サイクル特性が大きく向上された非水電解質二次電池の提供が可能である。さらに、放電容量の低下が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。以下の実施例および比較例において得られた２極式セル（二次電池）および正極活物質について以下の測定を行った。
＜充放電サイクル試験＞
充放電サイクル試験は、得られた２極式セルに対し、電流密度が０．５ｍＡ／ｃｍ２、電圧が４．３Ｖから３．２Ｖまでの範囲において、２５℃および６０℃の条件下において行った。５サイクル後から１０サイクル後の放電容量の平均値を（初期の放電容量）とし、充放電サイクル試験による放電容量維持率は９８サイクル後から１０２サイクル後の放電容量の平均値である（１００サイクル後の放電容量）あるいは１９８サイクル後から２０２サイクル後の放電容量の平均値である（２００サイクル後の放電容量）を用いて評価し、放電容量維持率は、｛（１００サイクル後の放電容量）／（初期の放電容量）｝×１００あるいは｛（２００サイクル後の放電容量）／（初期の放電容量）｝×１００により求めた。
＜正極活物質の粉末についてのＸ線回折法＞
得られた正極活物質の粉末ついて以下の（１）〜（３）の３パターンの方法にて、Ｘ線回折法を行い、正極活物質中の副酸化物および酸化スズ（IV）の存在を確認した。
（１）Ｘ線回折法１
正極活物質の粉末について、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、ＲＩＮＴ−２０００）を用いることによって得られる２θ＝１８．２±０．５°に観測される主結晶相の回折ピーク強度Ａと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｂとのピーク強度比Ｂ／Ａを測定した。
（２）Ｘ線回折法２
正極活物質の粉末についてＣｕＫα線を線源とする薄膜Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、ＲＩＮＴ−２５００および薄膜用回転試料台 Ｃａｔ Ｎｏ ２７０１Ｖ２）を用いることによって得られる、入射角０．５°の薄膜Ｘ線回折法で２θ＝４４．２±０．５°に観測される主結晶相の回折ピーク強度Ｃと２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝０．５）、および、入射角５°の薄膜Ｘ線回折法で２θ＝４４．２±０．５°に観測される主結晶相の回折ピーク強度Ｃと２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）を測定した。
（３）Ｘ線回折法３
正極活物質の粉末についてＣｕＫα線を線源とする薄膜Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、ＲＩＮＴ−２５００および薄膜用回転試料台 Ｃａｔ Ｎｏ ２７０１Ｖ２）を用いることによって得られる、入射角０．５°の薄膜Ｘ線回折法で２θ＝４４．２±０．５°に観測される主結晶相の回折ピーク強度Ｅと２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝０．５）、および、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法で２θ＝４４．２±０．５°に観測される主結晶相の回折ピーク強度Ｅと２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）を測定した。
〔実施例１〕
亜鉛源材料として酸化亜鉛、スズ源材料として酸化スズ（IV）を用い、これらの材料を亜鉛とスズとがモル比で２：１になるように秤量した後、自動乳鉢で５時間混合し、１０００℃、１２時間空気雰囲気で焼成し、焼成後、自動乳鉢で５時間粉砕および混合し、別スピネルを作製した。
次に、リチウム源材料として炭酸リチウム、マンガン源材料として電解二酸化マンガンを用い、これらの材料をリチウムとマンガンがモル比で１：２になるように秤量した。さらに、副酸化物と主結晶相とが一般式Ａにおいてｘ＝０．０５となるように別スピネルを秤量した。炭酸リチウム、電解二酸化マンガンおよび別スピネルを自動乳鉢で５時間混合し、５５０℃、１２時間、空気雰囲気で仮焼し、その後自動乳鉢で５時間粉砕および混合し、粉体を得た。その粉体をペレット状に成型したものを８００℃、１２時間、空気雰囲気で焼成した。その後自動乳鉢で５時間粉砕および混合し、正極活物質を得た。
また、この正極活物質を８０重量部、導電材としてアセチレンブラックを１５重量部及び結着材としてポリフッ化ビニリデンを５重量部混合し、Ｎ−メチルピロリドンと混合することによってペースト状にし、厚さ２０μｍのアルミニウム箔に厚さが５０μｍ以上、１００μｍ以下になるように塗布した。上記ペーストの乾燥後にアルミニウム箔を直径１５．９５８ｍｍの円盤状に打ち抜き、真空乾燥させることによって正極を作製した。
一方、負極は、所定の厚さの金属リチウム箔を直径１６．１５６ｍｍの円盤状に打ち抜いて作製した。また、非水電解質としての非水電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートを体積比で２：１で混合された溶媒に、溶質であるＬｉＰＦ６を１．０ｍｏｌ／ｌの割合にて溶かすことにより調整した。なお、セパレータとしては厚さが２５μｍで空孔率が４０％であるポリエチレン製の多孔質膜を用いた。
上述の正極、負極、非水電解液およびセパレータを用いて２極式セルを作製した。得られた２極式セルに対して、充放電サイクル試験を行った。初期放電容量およびサイクル試験後の容量維持率の２５℃における測定結果を表１に、６０℃における測定結果を表２に示した。
また、得られた正極活物質に対してＸ線回折法１〜３を行った。Ｘ線回折法１によって観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｂとのピーク強度比Ｂ／Ａを図１に示す。また、上記の薄膜Ｘ線回折法によって観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）を図２に示す。また、上記の粉末Ｘ線回折法２によって観測される主結晶相とは異なる元素の組合せを持つ別組成の化合物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）を図３に示す。
Ｘ線回折法によって得られた正極活物質の粉末Ｘ線回折パターンについて、「ＲＩＥＴＡＮ−２０００」（Ｆ．ＩｚｕｍＩ ＡＮＤ Ｔ．Ｉｋｅｄａ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ，３２１−３２４（２０００）１９８−２０３）を用いて、主結晶相、副酸化物および酸化スズ（IV）の３相混合モデルで表３〜表５に示すパラメータを初期値として使用するリートベルト解析による構造解析を行った。
構造解析結果より得られた、副酸化物の４ａサイト（Ｚｎサイト）および８ｄサイト（Ｍｎサイト）のそれぞれの占有率を用いて、副酸化物に含有されるマンガンおよび亜鉛の元素比Ｍｎ／Ｚｎを計算した。その結果を表６に示す。なお、Ｍｎ／Ｚｎの値は以下の式Ｂにより算出した。
［Ｍｎ／Ｚｎ］＝｛８×［８ｄサイト占有率］｝／｛４×［４ａサイト占有率］｝
・・・（式Ｂ）
〔実施例２〕
副酸化物と主結晶相とが一般式Ａにおいてｘ＝０．１０になるように出発物質の組成量を変化させた以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示す。また、実施例１と同様の方法で、粉末Ｘ線回折装置および薄膜Ｘ線回折法を用いて得られた結果を図１、図２および図３に示す。
実施例１と同様にして、リートベルト解析による構造解析を行い、構造解析結果およびＭｎ／Ｚｎの値を表６に示す。
〔実施例３〕
副酸化物と主結晶相とが一般式Ａにおいてｘ＝０．０２になるように出発物質の組成量を変化させた以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示す。また、実施例１と同様の方法で、粉末Ｘ線回折装置および薄膜Ｘ線回折法を用いて得られた結果を図１、図２および図３に示す。
実施例１と同様にして、リートベルト解析による構造解析を行い、構造解析結果およびＭｎ／Ｚｎの値を表６に示す。
〔実施例４〕
副酸化物と主結晶相とが一般式Ａにおいてｘ＝０．２０になるように出発物質の組成量を変化させた以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示す。また、実施例１と同様の方法で、粉末Ｘ線回折装置および薄膜Ｘ線回折法を用いて得られた結果を図１、図２および図３に示す。
実施例１と同様にして、リートベルト解析による構造解析を行い、構造解析結果およびＭｎ／Ｚｎの値を表６に示す。
〔比較例１〕
別スピネルを全く混合することなく、リチウム源材料として炭酸リチウム、マンガン源材料として電解二酸化マンガンを用い、これらの材料をリチウムとマンガンがモル比で１：２になるように出発物質の組成量を変化させた以外は、実施例１と同様の合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示す。また、実施例１と同様の方法で、粉末Ｘ線回折装置および薄膜Ｘ線回折法を用いて得られた結果を図１、図２および図３に示す。
なお、比較例１では別スピネルを混合することなく焼成したため、副酸化物および酸化スズ（IV）のピークは検出されなかった。したがって、副酸化物の占有率ならびにＭｎ／Ｚｎを算出することはできなかった。
〔比較例２〕
比較例１で作製した出発物質と別スピネルがモル比で９５：５になるように秤量した後、自動乳鉢で５時間混合することで合成を行った。実施例１と同様の方法で２極式セルを作製し、充放電試験を行った結果を表１および表２に示す。また、実施例１と同様の方法で、粉末Ｘ線回折装置および薄膜Ｘ線回折法を用いて得られた結果を図１、図２および図３に示す。
なお、比較例２では、出発物質と別スピネルとを焼成していないため、酸化スズは生成されない。このため、図１〜３において酸化スズのピークは検出されなかった。したがって、副酸化物の占有率ならびにＭｎ／Ｚｎを算出することはできなかった。
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図１〜図３から、実施例１〜４では、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって副酸化物および酸化スズ（IV）のピークが検出され、その存在が確認されたことが理解できる。
また、表１および表２から分かるように、本実施例１〜４では、比較例１〜２よりも初期容量は劣るものの、特に、６０℃における容量維持率が高いことが明確である。このため、本実施例に係る２極式セルでは、初期容量と容量維持率とのバランスを良好なものとすることができ、長寿命化を実現することができる。
以上のように、主結晶相の結晶構造として、マンガンを含有するリチウム含有酸化物を含有する正極活物質において、副酸化物および酸化スズ（IV）が存在することにより、上記２極式セルの高温における容量維持率（サイクル特性）が改善されることがわかった。
これは主たるマンガンを含有するリチウム含有酸化物の結晶相に、副酸化物および酸化スズ（IV）が存在することにより、結晶内部からのＭｎの拡散が副酸化物の結晶相により物理的にブロックされる事によりＭｎの溶出が低減されるために、サイクル特性が大きく向上すると考えられる。さらに充放電反応に関与しない結晶性が高い副酸化物の結晶層および酸化スズ（IV）が、主結晶相であるマンガンを含有するリチウム含有酸化物の結晶相に存在することにより、マンガンを含有するリチウム含有酸化物からのリチウムの脱離挿入に伴う膨張または収縮を物理的に抑制することにより、正極活物質を構成する結晶粒子群の変形を低下させることができる。その結果、結晶粒子群の割れ等による容量低下を低減させることができる。
発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する請求の範囲内において、いろいろと変更して実施することができるものである。
本発明は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする電動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられる非水電解液二次電池に適用可能である。

Claims (14)

  1. 主たる結晶相の結晶構造として、スピネル型構造を有し、マンガンを含有するリチウム含有遷移金属酸化物を含み、非水系二次電池において用いられる正極活物質において、
    上記リチウム含有遷移金属酸化物と同一の酸素配列を有し、かつ、亜鉛およびマンガンを含む元素組成である副酸化物および酸化スズ（IV）を含むと共に、
    上記副酸化物が、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝３４．３±０．５°に観測される回折ピークとして確認される状態で、かつ、
    上記酸化スズ（IV）が、ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝２６．５±０．５°に観測される回折ピークとして確認される状態で、上記副酸化物および酸化スズ（IV）を含んでおり、
    上記副酸化物と上記リチウム含有遷移金属酸化物とは、上記同一の酸素配列を有することにより、それぞれの相が互いに親和性良く接合していることを特徴とする正極活物質。
  2. 上記主たる結晶相、上記副酸化物および酸化スズ（IV）を含む全体の組成を以下の一般式Ａで示す時、０．０１≦ｘ≦０．２０であることを特徴とする請求項１に記載の正極活物質。
    Ｌｉ1-xＭ１2-2xＭ２xＭ３2xＯ4-y・・・（一般式Ａ）
    （但し、Ｍ１はマンガンあるいはマンガンと遷移金属元素の少なくとも１種類以上の元素、Ｍ２はスズ、およびＭ３は副酸化物に対応する亜鉛である。また、ｙはｘと電気的中性を満足する値である。）
  3. 上記リチウム含有遷移金属酸化物に含有される遷移金属は、マンガンのみであることを特徴とする請求項１または２に記載の正極活物質。
  4. ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝１８．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ａと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｂとのピーク強度比Ｂ／Ａが、０＜Ｂ／Ａ＜２．２であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の正極活物質。
  5. ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝０．５）が、０＜Ｄ／Ｃ（α＝０．５）＜２であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の正極活物質。
    （但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。）
  6. ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）が、０＜Ｄ／Ｃ（α＝５）＜１であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の正極活物質。
    （但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。）
  7. ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝０．５）、および、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｃと、２θ＝２６．５±０．５°に観測される酸化スズ（IV）の回折ピーク強度Ｄとのピーク強度比Ｄ／Ｃ（α＝５）が、Ｄ／Ｃ（α＝０．５）＞Ｄ／Ｃ（α＝５）であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の正極活物質。
    （但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。）
  8. ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝０．５）が、０＜Ｆ／Ｅ（α＝０．５）＜１．８であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の正極活物質。
    （但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。）
  9. ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）が、０＜Ｆ／Ｅ（α＝５）＜１．５であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の正極活物質。
    （但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。）
  10. ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が０．５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと、２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝０．５）、および、ＣｕＫα線を線源とし、正極活物質に対する入射角が５°の薄膜Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピーク強度Ｅと２θ＝３４．３±０．５°に観測される副酸化物の回折ピーク強度Ｆとのピーク強度比Ｆ／Ｅ（α＝５）が、Ｆ／Ｅ（α＝０．５）＞Ｆ／Ｅ（α＝５）であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の正極活物質。
    （但し、αは薄膜Ｘ線回折法における入射角を表す。）
  11. ＣｕＫα線を線源とする粉末Ｘ線回折法によって、２θ＝４４．２±０．５°に観測される主たる結晶相の回折ピークの半値幅Ｇが、０．３°＜Ｇ＜０．６°であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の正極活物質。
    （但し、Ｇは２θで表した値である。）
  12. 上記副酸化物に含有されるマンガンおよび亜鉛の元素比Ｍｎ／Ｚｎが、２＜Ｍｎ／Ｚｎ＜４であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の正極活物質。
  13. 主たる結晶相の格子定数が、８．２２Å以上、８．２４Å以下であることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の正極活物質。
  14. 正極、負極および非水系のイオン伝導体を備える非水系二次電池において、
    上記負極は、リチウムを含有する物質若しくはリチウムを挿入または脱離可能な負極活物質を含んでおり、
    上記正極は、請求項１〜１３の何れか１項に記載の正極活物質を含むことを特徴とする非水系二次電池。
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