JP2016172671A - チタン酸化物およびその製造方法、二次電池用活物質およびその製造方法、並びにチタン酸化物を活物質として用いた二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、式Li(2−x+2α)NaxTi6O(13+α)で表されるチタン酸化物に関する。式中、0≦x<1、0≦α<0.3を満たす。上記チタン酸化物は、CuKα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、回折角2θが、18±0.5°の範囲に最大ピークを有し、さらに、10.5±0.5°、16±0.5°および19±0.5°の範囲にそれぞれピークを有する。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明のチタン酸化物の合成フローチャートの一例である。本発明のチタン酸化物は、好ましくは、下記前駆体の熱処理を行うことによって合成される。
前駆体:式H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Ti3O7(式中、y1およびy2は、0≦y1+y2<1を満たす。)で表され、結晶構造が斜方晶系のNaLiTi3O7型のトンネル構造である。
図2は、斜方晶系のトンネル構造を有するNaLiTi3O7の結晶構造を示す模式図である。図2において、複数の三角形状の各面は、TiO6の八面体を構成している。八面体の各頂点にはOが配置され、その中央はTiによって占有されている。図2中、八面体の近傍に位置する大きい方の球はNaを表しており、小さい方の球はLiを表している。このように、八面体のような三次元の骨格構造の隙間に、NaやLiのアルカリ金属イオンが一次元的に配置された構造は、トンネル構造と称される。
出発物質:式Li(2−z)NazTi3O7(式中、zは、0≦z<1を満たす。)で表され、結晶構造が斜方晶系のNaLiTi3O7型のトンネル構造である。
上記式Li(2−z)NazTi3O7で表される出発物質は、典型的には、図1に示すように、z=0であるLi2Ti3O7である。ただし、0<z<1であってもよく、この場合、0<z≦0.2が好ましく、0<z≦0.1がより好ましい。
NaLiTi3O7多結晶体は、原料として、ナトリウム原料の少なくとも1種、リチウム原料の少なくとも1種、およびチタン原料の少なくとも1種を、NaLiTi3O7の化学組成となるように秤量・混合し、空気中等の酸素ガスが存在する雰囲気中で加熱することによって、製造することができる。
上記により得られたNaLiTi3O7に対してリチウムイオン交換反応を適用することにより、NaLiTi3O7中のナトリウムのほぼすべてがリチウムに交換されたLi(2−z)NazTi3O7が得られる。
上記により得られた出発物質Li(2−z)NazTi3O7に対してプロトン交換反応を適用することにより、出発物質中のNaおよびLiの一部または全部がHに交換された前駆体H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Ti3O7が得られる。
上記により得られた前駆体H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Ti3O7に対して熱処理を行うことにより、目的とするチタン酸化物Li(2−x+2α)NaxTi6O(13+α)が得られる。
本発明のチタン酸化物は、式Li(2−x+2α)NaxTi6O(13+α)(式中、xは、0≦x<1、αは、0≦α<0.3を満たす。)で表される。
本発明の二次電池用活物質は、二次電池の電極(正極および負極)に用いられ、上記チタン酸化物を主成分とする。すなわち、本発明の二次電池用活物質は、式Li(2−x+2α)NaxTi6O(13+α)(式中、xは、0≦x<1、αは、0≦α<0.3を満たす。)で表されるチタン酸化物を主成分として構成されるものであり、上記チタン酸化物は、CuKα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、回折角2θが、18°±0.5°の範囲に最大ピークを示し、さらに、10.5°±0.5°、16°±0.5°および19°±0.5°の範囲にそれぞれピークを示す。
なお、本発明の二次電池用活物質は、本発明のチタン酸化物を主成分とする限り、本発明のチタン酸化物が1種のみ含まれていてもよく、本発明のチタン酸化物が2種以上含まれていてもよい。
本発明の二次電池は、正極と、負極と、電解質と、必要に応じて他の電池要素を含んで構成される二次電池であり、正極および負極のうち少なくとも一方が、上述したチタン酸化物を主成分とする二次電池用活物質を含有する。
純度99%以上の炭酸ナトリウム(Na2CO3)粉末、純度99.99%以上の炭酸リチウム(Li2CO3)および純度99.99%以上の二酸化チタン(TiO2)粉末をモル比Na:Li:Ti=1.01:1.03:3.00となるように秤量した。これらを乳鉢中で混合した後、JIS規格金製るつぼに充填し、電気炉を用いて、空気中、高温条件下で加熱した。焼成温度は950℃、焼成時間は24時間とした。これにより、トンネル構造を有するNaLiTi3O7多結晶体(図2)を得た。
a=16.4781Å(誤差:0.0004Å以内)
b=5.7356Å(誤差:0.0002Å以内)
c=11.2226Å(誤差:0.0003Å以内)
a=16.7306Å(誤差:0.0002Å以内)
b=5.7186Å(誤差:0.0001Å以内)
c=11.0919Å(誤差:0.0002Å以内)
上記で得られた出発物質(Na0.1Li1.9Ti3O7多結晶体)を粉砕し、その粉砕物1.0gをイオン交換水50ml中に投入し、湯煎しながら90℃にて3日間保持することにより、プロトン交換処理を実施した。その後、90℃にて真空乾燥することにより、前駆体であるHLiTi3O7多結晶体を得た。
2HLiTi3O7 → H2O↑ + Li2Ti6O13
a=16.7510Å(誤差:0.0005Å以内)
b=5.7621Å(誤差:0.0002Å以内)
c=11.1136Å(誤差:0.0004Å以内)
上記で得られた前駆体(HLiTi3O7多結晶体)の粉砕乾燥物をアルミナ製るつぼに充填し、電気炉を用いて、空気中、450℃で1時間保持することによって、目的とするLi2Ti6O13を得た。
2HLiTi3O7 → H2O↑ + Li2Ti6O13
図5は、比較例1に係るLi2Ti6O13の粉末X線回折図形である。具体的には、特許文献1(特開2010−123424号公報)に記載されている従来のLi2Ti6O13の粉末X線回折図形である。図4と図5との対比により、実施例1に係るLi2Ti6O13の結晶構造は、特許文献1に記載されている従来のLi2Ti6O13の結晶構造と明確に異なることが確認できる。
(リチウム二次電池の作製)
実施例1および参考例1で得られたチタン酸化物を活物質とし、導電剤としてアセチレンブラック、結着剤としてテトラフルオロエチレンを、重量比で5:5:1となるように混合し、Alメッシュに圧着させ電極を作製した。それぞれの電極に対して、リチウム金属を対極、6フッ化リン酸リチウムをエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との混合溶媒(体積比1:2)に溶解させた1M溶液を電解液とする、図3に示す構造のリチウム二次電池(コイン型セル)を作製した。電池の作製は、公知のセルの構成・組み立て方法に従って行った。
作製した各リチウム二次電池について、25℃の温度条件下で、電流密度10mA/g、3.0V〜1.0Vのカットオフ電位で電気化学的リチウム挿入・脱離試験を行った。
作製した各リチウム二次電池について、充放電サイクル試験を実施した。測定条件は、25℃の温度条件下で電流密度を10mA/gとし、3.0V〜1.0Vのカットオフ電位とした。
2 負極端子
3 負極
4 電解液が含浸されたセパレータ
5 絶縁パッキング
6 正極
7 正極缶
Claims (8)
- 式Li(2−x+2α)NaxTi6O(13+α)で表されるチタン酸化物であって、
式中、xは、0≦x<1、αは、0≦α<0.3を満たし、
CuKα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、回折角2θが、18°±0.5°の範囲に最大ピークを示し、さらに、10.5°±0.5°、16°±0.5°および19°±0.5°の範囲にそれぞれピークを示す、チタン酸化物。 - 請求項1に記載のチタン酸化物の製造方法であって、
式H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Ti3O7で表される前駆体の熱処理が行われ、
前記前駆体の式中、y1およびy2は、0≦y1+y2<1を満たし、
前記前駆体の結晶構造は、斜方晶系のNaLiTi3O7型のトンネル構造である、チタン酸化物の製造方法。 - 前記前駆体の熱処理は、空気中または真空中、300℃以上550℃未満の温度範囲で行われる、請求項2に記載のチタン酸化物の製造方法。
- 前記前駆体は、式Li(2−z)NazTi3O7で表される出発物質のNaおよびLiの少なくとも1種をHに交換するプロトン交換によって合成され、
前記出発物質の式中、zは、0≦z<1を満たし、
前記出発物質の結晶構造は、斜方晶系のNaLiTi3O7型のトンネル構造である、請求項2または3に記載のチタン酸化物の製造方法。 - 前記出発物質は、ナトリウム原料とリチウム原料とチタン原料とから生成されたNaLiTi3O7のNaをLiに交換するリチウムイオン交換によって合成される、請求項4に記載のチタン酸化物の製造方法。
- 二次電池用活物質の製造方法であって、
請求項2〜5のいずれか1項に記載の製造方法によって、請求項1に記載のチタン酸化物が合成される、二次電池用活物質の製造方法。 - 請求項1に記載のチタン酸化物を主成分とする、二次電池用活物質。
- 正極と、負極と、電解質と、を含んで構成される二次電池であって、
正極および負極のうち少なくとも一方が、請求項1に記載のチタン酸化物を主成分とする二次電池用活物質を含有する、二次電池。
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