JP6395052B2 - Titanium oxide and manufacturing method thereof, active material for secondary battery and manufacturing method thereof, and secondary battery using titanium oxide as active material - Google Patents

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Description

本発明は、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に関する。   The present invention relates to a titanium oxide and a manufacturing method thereof, an active material for a secondary battery and a manufacturing method thereof, and a secondary battery using the titanium oxide as an active material.

近年、携帯電話やノートパソコン等の多くの携帯型電子機器に二次電池が搭載されており、そのほとんどはリチウム二次電池である。リチウム二次電池をはじめとする二次電池は、ハイブリッド車両や電力負荷平準化システム等の大型電池としての実用化も期待されており、その重要性はますます高まっている。   In recent years, secondary batteries are mounted on many portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers, most of which are lithium secondary batteries. Secondary batteries such as lithium secondary batteries are expected to be put into practical use as large batteries such as hybrid vehicles and power load leveling systems, and their importance is increasing.

例えば、リチウム二次電池は、いずれもリチウムを可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料を含有する正極および負極からなる電極と、非水系電解液を含むセパレータまたは固体電解質とを主要構成要素とする。   For example, a lithium secondary battery is mainly composed of an electrode composed of a positive electrode and a negative electrode containing a material capable of reversibly occluding and releasing lithium, and a separator or solid electrolyte containing a non-aqueous electrolyte. And

今後、自動車用電源や高容量のバックアップ電源、緊急用電源等の用途を想定した場合には、より高容量かつ長寿命の二次電池が必要となることが予測される。そのため、種々の活物質を組み合わせることで、さらに高容量かつ長寿命の二次電池の開発が求められている。   In the future, when applications such as automobile power supplies, high-capacity backup power supplies, and emergency power supplies are assumed, it is predicted that secondary batteries with higher capacity and longer life will be required. Therefore, development of a secondary battery having a higher capacity and a longer life is required by combining various active materials.

例えば、式LiTi13で表されるチタン酸化物を主成分とし、結晶構造が単斜晶系のNaTi13型のトンネル構造であることを特徴とするリチウム二次電池用活物質が提案されている(特許文献1、非特許文献1参照)。 For example, a lithium secondary battery comprising a titanium oxide represented by the formula Li 2 Ti 6 O 13 as a main component and a monoclinic Na 2 Ti 6 O 13 type tunnel structure. Active materials have been proposed (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

一方、類似した化学組成を有するチタン酸化物として、式LiTiで表され、斜方晶系に属するNaLiTi型の結晶構造を有するチタン酸化物をリチウム二次電池用活物質として用いることが提案されている(非特許文献2参照)。さらに、上記式LiTiで表されるチタン酸化物のLiをHに交換することで得られる、式HLiTiで表されるチタン酸化物をリチウム二次電池用活物質として用いることも提案されている(非特許文献3参照)。 On the other hand, as a titanium oxide having a similar chemical composition, a titanium oxide represented by the formula Li 2 Ti 3 O 7 and having an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type crystal structure is used as an active material for a lithium secondary battery. It has been proposed to be used as a substance (see Non-Patent Document 2). Furthermore, a titanium oxide represented by the formula HLiTi 3 O 7 obtained by exchanging Li of the titanium oxide represented by the formula Li 2 Ti 3 O 7 with H is used as an active material for a lithium secondary battery. It has also been proposed to use it (see Non-Patent Document 3).

特開2010−123424号公報JP 2010-123424 A

K.Kataoka et al.,Chem.Mater.,23,2344(2011)K. Kataoka et al. , Chem. Mater. , 23, 2344 (2011) 千葉一毅 他、第81回電気化学会 講演要旨集、1R12、P370(2014)Kazuaki Chiba et al., 81st Electrochemical Society, Abstracts, 1R12, P370 (2014) 千葉一毅 他、第7回電動車用先進蓄電池国際会議 講演要旨集、P−18(2014)Kazuaki Chiba et al., The 7th International Conference on Advanced Storage Batteries for Electric Vehicles, P-18 (2014)

しかしながら、特許文献1および非特許文献1に記載のチタン酸化物(以下、「従来のLiTi13」とも記載する。)を二次電池用活物質として使用した場合であっても、二次電池の容量および充放電サイクル特性が十分でないのが現状である。 However, even when the titanium oxide described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 (hereinafter also referred to as “conventional Li 2 Ti 6 O 13 ”) is used as an active material for a secondary battery, At present, the capacity and charge / discharge cycle characteristics of secondary batteries are not sufficient.

また、本発明者らは、非特許文献2および非特許文献3に記載のチタン酸化物(LiTi,HLiTi)の電気化学特性をそれぞれ評価している。その結果、いずれのチタン酸化物においても、従来のLiTi13に比べて、二次電池の容量および充放電サイクル特性を向上させることが可能であるものの、更なる改善の余地があることが判明した。特に、リチウム脱離時の容量が低い点、および、不可逆容量(リチウム挿入時の容量とリチウム脱離時の容量との差)が高い点について改善の余地があると考えられる。 In addition, the inventors have evaluated the electrochemical characteristics of the titanium oxides (Li 2 Ti 3 O 7 , HLiTi 3 O 7 ) described in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3, respectively. As a result, although any titanium oxide can improve the capacity and charge / discharge cycle characteristics of the secondary battery as compared with the conventional Li 2 Ti 6 O 13 , there is room for further improvement. It has been found. In particular, it is considered that there is room for improvement in that the capacity at the time of lithium desorption is low and the irreversible capacity (the difference between the capacity at the time of lithium insertion and the capacity at the time of lithium desorption) is high.

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、従来よりも高容量かつ長寿命であり、リチウム脱離時の容量が高く、不可逆容量の低い二次電池用活物質として使用可能なチタン酸化物を提供することを目的とする。本発明は、当該チタン酸化物の製造方法、当該チタン酸化物を主成分とする二次電池用活物質およびその製造方法、当該チタン酸化物を活物質として用いた二次電池を提供することも目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and has a higher capacity and longer life than before, a titanium oxide that can be used as an active material for a secondary battery with a high capacity at the time of lithium desorption and a low irreversible capacity. The purpose is to provide. The present invention also provides a method for producing the titanium oxide, an active material for a secondary battery mainly containing the titanium oxide, a method for producing the active material, and a secondary battery using the titanium oxide as an active material. Objective.

本発明は、式Li(2−x+2α)NaTi(13+α)で表されるチタン酸化物に関する。式中、xは、0≦x<1、αは、0≦α<0.3を満たす。本発明のチタン酸化物は、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。 The present invention relates to a titanium oxide represented by the formula Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 O (13 + α) . In the formula, x satisfies 0 ≦ x <1, and α satisfies 0 ≦ α <0.3. In the powder X-ray diffraction pattern using CuKα rays, the titanium oxide of the present invention exhibits a maximum peak in the range of diffraction angle 2θ of 18 ° ± 0.5 °, and further 10.5 ° ± 0.5. Peaks are shown in the ranges of °, 16 ° ± 0.5 ° and 19 ° ± 0.5 °, respectively.

上記チタン酸化物は、好ましくは、式H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiで表される前駆体の熱処理を行うことで合成される。前駆体の式中、y1およびy2は、0≦y1+y2<1を満たす。前駆体の結晶構造は、斜方晶系のNaLiTi型のトンネル構造である。 The titanium oxide is preferably synthesized by performing a heat treatment on a precursor represented by the formula H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 . In the precursor formula, y1 and y2 satisfy 0 ≦ y1 + y2 <1. The crystal structure of the precursor is an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure.

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ことが好ましい。   The heat treatment of the precursor is preferably performed in a temperature range of 300 ° C. or higher and lower than 550 ° C. in air or vacuum.

前駆体は、式Li(2−z)NaTi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ることが好ましい。出発物質の式中、zは、0≦z<1を満たす。出発物質の結晶構造は、斜方晶系のNaLiTi型のトンネル構造である。 The precursor is preferably synthesized by proton exchange in which at least one of the starting materials Na and Li represented by the formula Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 is exchanged for H. In the formula of the starting material, z satisfies 0 ≦ z <1. The crystal structure of the starting material is an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure.

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NaLiTi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ことが好ましい。 The starting material is preferably synthesized by lithium ion exchange in which Na of NaLiTi 3 O 7 produced from a sodium raw material, a lithium raw material and a titanium raw material is exchanged for Li.

本発明は、上記製造方法によって、本発明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に関する。   This invention relates to the manufacturing method of the active material for secondary batteries by which the titanium oxide of this invention is synthesize | combined by the said manufacturing method.

本発明は、上記チタン酸化物を主成分とする二次電池用活物質に関する。   The present invention relates to an active material for a secondary battery containing the titanium oxide as a main component.

本発明は、正極と、負極と、電解質と、を含んで構成される二次電池に関する。正極および負極のうち少なくとも一方が、上記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。   The present invention relates to a secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. At least one of the positive electrode and the negative electrode contains an active material for a secondary battery containing the titanium oxide as a main component.

本発明によれば、式Li(2−x+2α)NaTi(13+α)で表される新規チタン酸化物を製造することが可能であり、この新規チタン酸化物を電極材料の活物質として使用することによって、従来のLiTi13よりも高容量かつ長寿命の二次電池用活物質および二次電池を提供することができる。さらに、この新規チタン酸化物を電極材料の活物質として使用することによって、HLiTiよりもリチウム脱離時の容量が高く、かつ、不可逆容量の低い二次電池用活物質および二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to produce a novel titanium oxide represented by the formula Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 O (13 + α) , and this novel titanium oxide can be used as an active material of an electrode material. By using it, it is possible to provide a secondary battery active material and a secondary battery that have a higher capacity and a longer life than the conventional Li 2 Ti 6 O 13 . Furthermore, by using this novel titanium oxide as an active material for an electrode material, a secondary battery active material and a secondary battery having a higher capacity at the time of lithium desorption and a lower irreversible capacity than HLiTi 3 O 7 Can be provided.

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。It is an example of the synthesis | combination flowchart of the titanium oxide of this invention. 斜方晶系のトンネル構造を有するNaLiTiの結晶構造を示す模式図である。It is a schematic view showing the crystal structure of NaLiTi 3 O 7 having a tunnel structure orthorhombic. 本発明の二次電池の一例を模式的に示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows typically an example of the secondary battery of this invention. 実施例1および参考例1に係るチタン酸化物の粉末X線回折図形である。2 is a powder X-ray diffraction pattern of titanium oxide according to Example 1 and Reference Example 1. FIG. 比較例1に係るチタン酸化物の粉末X線回折図形である。2 is a powder X-ray diffraction pattern of a titanium oxide according to Comparative Example 1. 実施例1および参考例1に係るチタン酸化物のFTIRスペクトルである。It is a FTIR spectrum of the titanium oxide which concerns on Example 1 and Reference Example 1. 実施例1および参考例1におけるリチウム挿入・脱離反応に伴う電圧変化を示す図である。It is a figure which shows the voltage change accompanying the lithium insertion / elimination reaction in Example 1 and Reference Example 1. 比較例1におけるリチウム挿入・脱離反応に伴う電圧変化を示す図である。It is a figure which shows the voltage change accompanying the lithium insertion / detachment | desorption reaction in the comparative example 1. FIG. 実施例1および参考例1に係るリチウム二次電池のサイクル数とリチウム挿入容量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the cycle number of the lithium secondary battery which concerns on Example 1 and Reference Example 1, and lithium insertion capacity. 実施例1および参考例1に係るリチウム二次電池のサイクル数とリチウム脱離容量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the cycle number of the lithium secondary battery which concerns on Example 1 and Reference Example 1, and lithium desorption capacity.

[チタン酸化物の製造方法]
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)Nay2Ti(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NaLiTi型のトンネル構造である。
[Production method of titanium oxide]
FIG. 1 is an example of a synthesis flowchart of the titanium oxide of the present invention. The titanium oxide of the present invention is preferably synthesized by performing a heat treatment of the following precursor.
Precursor: Formula H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 (wherein y1 and y2 satisfy 0 ≦ y1 + y2 <1), and the crystal structure is orthorhombic This is a type of NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure.

(前駆体H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Ti
図2は、斜方晶系のトンネル構造を有するNaLiTi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、TiO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。
(Precursor H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 )
FIG. 2 is a schematic diagram showing a crystal structure of NaLiTi 3 O 7 having an orthorhombic tunnel structure. In FIG. 2, each of a plurality of triangular faces constitutes a TiO 6 octahedron. O is arranged at each vertex of the octahedron, and its center is occupied by Ti. In FIG. 2, the larger sphere located in the vicinity of the octahedron represents Na, and the smaller sphere represents Li. In this way, a structure in which alkali metal ions such as Na and Li are one-dimensionally arranged in a gap between a three-dimensional skeleton structure such as an octahedron is called a tunnel structure.

上記前駆体は、式H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiで表される限り、その化学組成は特に限定されない。典型的には、図1に示すように、y1=y2=0であるHLiTiである。ただし、0<y1+y2<1であってもよく、この場合、0<y1+y2≦0.3が好ましく、0<y1+y2≦0.2がより好ましく、0<y1+y2≦0.1がさらに好ましい。また、0<y1≦0.2が好ましく、0<y1≦0.1がより好ましく、0<y2≦0.2が好ましく、0<y2≦0.1がより好ましい。 The chemical composition of the precursor is not particularly limited as long as the precursor is represented by the formula H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 . Typically, as shown in FIG. 1, HLiTi 3 O 7 where y1 = y2 = 0. However, 0 <y1 + y2 <1 may be sufficient. In this case, 0 <y1 + y2 ≦ 0.3 is preferable, 0 <y1 + y2 ≦ 0.2 is more preferable, and 0 <y1 + y2 ≦ 0.1 is more preferable. Moreover, 0 <y1 ≦ 0.2 is preferable, 0 <y1 ≦ 0.1 is more preferable, 0 <y2 ≦ 0.2 is preferable, and 0 <y2 ≦ 0.1 is more preferable.

上記式H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiで表される前駆体において、上記斜方晶系の格子定数は、Na,LiおよびHの種類と量比によって決定される。具体的には、a軸長が16.7〜16.8Å、b軸長が5.7〜5.8Å、c軸長が11.0〜11.2Åの範囲であることが好ましい。 In the precursor represented by the formula H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 , the orthorhombic lattice constant is determined by the type and amount ratio of Na, Li and H Is done. Specifically, the a-axis length is preferably in the range of 16.7 to 16.8 mm, the b-axis length is 5.7 to 5.8 mm, and the c-axis length is preferably in the range of 11.0 to 11.2 mm.

上記前駆体は、下記出発物質の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ることが好ましい。
出発物質:式Li(2−z)NaTi(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NaLiTi型のトンネル構造である。
The precursor is preferably synthesized by proton exchange in which at least one of the following starting materials Na and Li is exchanged for H.
Starting material: represented by the formula Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 (wherein z satisfies 0 ≦ z <1), the crystal structure of the orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type It is a tunnel structure.

(出発物質Li(2−z)NaTi
上記式Li(2−z)NaTi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LiTi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。
(Starting material Li (2-z) Na z Ti 3 O 7)
The starting material represented by the formula Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 is typically Li 2 Ti 3 O 7 where z = 0, as shown in FIG. However, 0 <z <1 may be sufficient. In this case, 0 <z ≦ 0.2 is preferable, and 0 <z ≦ 0.1 is more preferable.

上記出発物質は、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複合チタン酸化物NaLiTi(以下、NaLiTi多結晶体ともいう)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ことが好ましい。 The starting material is obtained by lithium ion exchange in which Na of a composite titanium oxide NaLiTi 3 O 7 (hereinafter also referred to as NaLiTi 3 O 7 polycrystal) generated from a sodium raw material, a lithium raw material, and a titanium raw material is exchanged for Li. It is preferable to be synthesized.

(NaLiTiの合成)
NaLiTi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、NaLiTi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。
(Synthesis of NaLiTi 3 O 7 )
NaLiTi 3 O 7 polycrystal is prepared by weighing and mixing at least one sodium raw material, at least one lithium raw material, and at least one titanium raw material so as to have a chemical composition of NaLiTi 3 O 7. It can be produced by heating in an atmosphere containing oxygen gas such as air.

ナトリウム原料としては、ナトリウム(金属ナトリウム)およびナトリウム化合物の少なくとも1種を用いる。ナトリウム化合物としては、ナトリウムを含有するものであれば特に制限されず、例えばNaO、Na等の酸化物、NaCO、NaNO等の塩類、NaOH等の水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特にNaCO等が好ましい。 As the sodium raw material, at least one of sodium (metallic sodium) and a sodium compound is used. The sodium compound is not particularly limited as long as it contains sodium, for example, oxides such as Na 2 O and Na 2 O 2 , salts such as Na 2 CO 3 and NaNO 3 , hydroxides such as NaOH, etc. Is mentioned. Among these, Na 2 CO 3 is particularly preferable.

リチウム原料としては、リチウム(金属リチウム)およびリチウム化合物の少なくとも1種を用いる。リチウム化合物としては、リチウムを含有するものであれば特に制限されず、例えばLiO、Li等の酸化物、LiCO、LiNO等の塩類、LiOH等の水酸化物等が挙げられる。これらの中でも、特にLiCO等が好ましい。 As the lithium raw material, at least one of lithium (metallic lithium) and a lithium compound is used. The lithium compound is not particularly limited as long as it contains lithium. For example, oxides such as Li 2 O and Li 2 O 2 , salts such as Li 2 CO 3 and LiNO 3 , hydroxides such as LiOH, and the like Is mentioned. Among these, Li 2 CO 3 and the like are particularly preferable.

チタン原料としては、チタン(金属チタン)およびチタン化合物の少なくとも1種を用いる。チタン化合物としては、チタンを含有するものであれば特に制限されず、例えばTiO、Ti、TiO等の酸化物、TiCl等の塩類等が挙げられる。これらの中でも、特にTiO等が好ましい。 As the titanium raw material, at least one of titanium (metallic titanium) and a titanium compound is used. The titanium compound is not particularly limited as long as it contains titanium, and examples thereof include oxides such as TiO, Ti 2 O 3 and TiO 2 , salts such as TiCl 4 and the like. Among these, TiO 2 is particularly preferable.

はじめに、ナトリウム原料、リチウム原料およびチタン原料を含む混合物を調製する。ナトリウム原料、リチウム原料およびチタン原料の混合割合は、NaLiTiの化学組成となるように混合することが好ましい。また、加熱時にナトリウムおよびリチウムは揮発しやすいので、ナトリウム量およびリチウム量は上記化学式における1よりも若干過剰な仕込み量としてもよく、それぞれ、チタン量の1/3に対して1.0〜1.1の範囲とすることが好ましい。また、混合方法は、これらを均一に混合できる限り特に限定されず、例えばミキサー等の公知の混合機を用いて、湿式または乾式で混合すればよい。 First, a mixture containing a sodium raw material, a lithium raw material, and a titanium raw material is prepared. The mixing ratio of the sodium raw material, the lithium raw material, and the titanium raw material is preferably mixed so that the chemical composition of NaLiTi 3 O 7 is obtained. Further, since sodium and lithium are easily volatilized during heating, the amount of sodium and the amount of lithium may be slightly more excessive than 1 in the above chemical formula, and 1.0 to 1 for 1/3 of the amount of titanium, respectively. Is preferably in the range of .1. The mixing method is not particularly limited as long as they can be mixed uniformly, and may be mixed by a wet or dry method using a known mixer such as a mixer.

次いで、混合物を焼成する。焼成温度は、原料によって適宜設定することができ、通常は、600℃〜1200℃程度、好ましくは700℃〜1050℃とすればよい。また、焼成雰囲気も特に限定されず、通常は酸化性雰囲気または大気中で実施すればよい。焼成時間は、焼成温度等に応じて適宜変更することができる。冷却方法も特に限定されず、通常は自然放冷(炉内放冷)または徐冷とすればよい。   The mixture is then fired. The firing temperature can be appropriately set depending on the raw material, and is usually about 600 ° C. to 1200 ° C., preferably 700 ° C. to 1050 ° C. Also, the firing atmosphere is not particularly limited, and it is usually performed in an oxidizing atmosphere or air. The firing time can be appropriately changed according to the firing temperature and the like. The cooling method is not particularly limited, and may be naturally cooled (cooled in the furnace) or gradually cooled.

焼成後は、必要に応じて焼成物を公知の方法で粉砕し、さらに上記の焼成工程を実施してもよい。すなわち、上記混合物の焼成、冷却および粉砕を2回以上繰り返して実施してもよい。なお、粉砕の程度は、焼成温度等に応じて適宜調節すればよい。   After firing, the fired product may be pulverized by a known method as necessary, and the above firing step may be further performed. That is, the mixture may be repeatedly fired, cooled and pulverized twice or more. Note that the degree of pulverization may be adjusted as appropriate according to the firing temperature and the like.

このようにして得られたNaLiTiは、結晶構造が、図2に示すような斜方晶系のNaLiTi型のトンネル構造である。 The thus obtained NaLiTi 3 O 7 has an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure as shown in FIG.

(NaLiTiのリチウムイオン交換)
上記により得られたNaLiTi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、NaLiTi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)NaTiが得られる。
(Lithium ion exchange of NaLiTi 3 O 7 )
Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 in which almost all of the sodium in NaLiTi 3 O 7 was exchanged for lithium by applying a lithium ion exchange reaction to NaLiTi 3 O 7 obtained as described above. Is obtained.

この場合、粉砕されたNaLiTiをリチウム化合物と混合して加熱することで、リチウム溶融塩によるリチウムイオン交換反応を進行させることが好ましい。リチウム化合物としては、硝酸リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム等の比較的低温で溶融する塩類が好ましく、これらを単独または2種以上組み合わせて用いることができる。混合比は、通常、NaLiTiの重量に対するリチウム化合物全体の重量の割合として、NaLiTi:リチウム化合物全体=1:2〜1:50、好ましくは1:2〜1:15である。 In this case, it is preferable that the pulverized NaLiTi 3 O 7 is mixed with a lithium compound and heated to advance the lithium ion exchange reaction with the lithium molten salt. The lithium compound is preferably a salt that melts at a relatively low temperature, such as lithium nitrate, lithium chloride, lithium bromide, or lithium iodide, and these can be used alone or in combination of two or more. The mixing ratio is usually as a percentage of the weight of the total lithium compound to the weight of NaLiTi 3 O 7, NaLiTi 3 O 7: total lithium compound = 1: 2 to 1: 50, and preferably 1: 2 to 1: is 15 .

リチウムイオン交換処理の温度は、通常30℃〜500℃、好ましくは200℃〜450℃の範囲である。処理時間は、通常2時間〜72時間、好ましくは2時間〜50時間、より好ましくは2時間〜10時間である。   The temperature of the lithium ion exchange treatment is usually in the range of 30 ° C to 500 ° C, preferably 200 ° C to 450 ° C. The treatment time is usually 2 hours to 72 hours, preferably 2 hours to 50 hours, more preferably 2 hours to 10 hours.

リチウムイオン交換処理の後、得られた生成物をエタノール等で洗浄後、乾燥させることによって、目的とする式Li(2−z)NaTiで表される出発物質が得られる。洗浄方法については特に限定されないが、LiTiの場合にはリチウム塩に高い溶解性を有する有機溶媒を用いることが好ましい。例えば、メタノール、エタノール、ヘキサノール等が挙げられる。乾燥方法については、特に限定されず、通常の方法が用いられる他、デシケータ内等における自然乾燥でもよい。 After the lithium ion exchange treatment, the obtained product is washed with ethanol or the like and then dried to obtain the target starting material represented by the formula Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 . No particular limitation is imposed on the washing method, in the case of Li 2 Ti 3 O 7 is preferably used an organic solvent having a high solubility in the lithium salt. For example, methanol, ethanol, hexanol, etc. are mentioned. The drying method is not particularly limited, and a normal method may be used, or natural drying in a desiccator or the like may be used.

このようにして得られた出発物質Li(2−z)NaTiは、その交換処理の条件を変化させることによって、残存するナトリウム量を制御することが可能である。ナトリウム量は、例えば、化学分析の検出限界以下とすることもできるし、有意な量を残すこともできる。 The amount of sodium remaining in the starting material Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 thus obtained can be controlled by changing the conditions for the exchange treatment. The amount of sodium can be, for example, below the detection limit of chemical analysis, or a significant amount can be left.

また、このようにして得られた出発物質Li(2−z)NaTiの結晶構造は、リチウムイオン交換反応前のNaLiTiと同じであり、斜方晶系のNaLiTi型のトンネル構造である。すなわち、図2において、大きい方の球で表されるNaがLiに交換された結晶構造を有している。 The crystal structure of the starting material Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 thus obtained is the same as that of NaLiTi 3 O 7 before the lithium ion exchange reaction, and is orthorhombic NaLiTi 3. This is an O 7 type tunnel structure. That is, in FIG. 2, it has a crystal structure in which Na represented by the larger sphere is replaced with Li.

(出発物質Li(2−z)NaTiのプロトン交換)
上記により得られた出発物質Li(2−z)NaTi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)Nay2Tiが得られる。
(Starting material Li (proton exchange 2-z) Na z Ti 3 O 7)
By applying a proton exchange reaction to the starting material Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 obtained as described above, a precursor in which part or all of Na and Li in the starting material is exchanged with H is obtained. The body H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 is obtained.

LiTi等のLi(2−z)NaTiに対してプロトン交換を行う場合、プロトン交換のメカニズムの詳細は明らかではないが、Naサイト(図2中、大きい方の球)に位置するNaまたはLiが優先的にHに交換され、その後、Liサイト(図2中、小さい方の球)に位置するLiがHに交換されると推測される。 When performing proton exchange against Li 2 Ti 3 O 7 and the like of Li (2-z) Na z Ti 3 O 7, Although the detailed mechanism of proton exchange, Na Site (in Figure 2, larger It is presumed that Na or Li located in the sphere) is preferentially exchanged for H, and then Li located in the Li site (the smaller sphere in FIG. 2) is exchanged for H.

このようにして得られる前駆体H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiは、その交換処理の条件に依存して、H(プロトン)の交換量を適宜変化させることが可能である。そのため、Hの交換量を少なくすることで、HLiTi等のH(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiを得ることができる。 Thus precursor H (1-y1) obtained by Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 , depending on the conditions of the exchange process, appropriately changing the exchange rate of H (proton) Is possible. Therefore, H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 such as HLiTi 3 O 7 can be obtained by reducing the exchange amount of H.

HLiTi等のH(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiを得る場合、イオン交換水等の水、または、酢酸等の弱酸を含む水溶液を用いてプロトン交換を行うことが好ましく、イオン交換水を用いてプロトン交換を行うことがより好ましい。また、塩酸等の強酸を含む水溶液を用いてプロトン交換を行う場合でも、酸濃度を下げる、処理時間を短くする、処理温度を低くする等の方法で、H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiを得ることが可能である。 HLiTi 3 H (1-y1) of O 7, etc. Li (1 + y1-y2) when obtaining Na y2 Ti 3 O 7, water such as ion-exchange water, or the proton exchange with an aqueous solution containing a weak acid such as acetic acid It is preferable to perform proton exchange using ion-exchanged water. Even when proton exchange is performed using an aqueous solution containing a strong acid such as hydrochloric acid, H (1-y1) Li (1 + y1−) can be performed by a method such as reducing the acid concentration, shortening the treatment time, or lowering the treatment temperature. y2) Na y2 Ti 3 O 7 can be obtained.

プロトン交換処理においては、粉砕された出発物質Li(2−z)NaTiを、上述した酸を含む水溶液等やイオン交換水等の中に分散させ、一定時間保持した後、乾燥することが好ましい。乾燥は、公知の乾燥方法が適用可能であるが、真空乾燥等がより好ましい。 In the proton exchange treatment, the pulverized starting material Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 is dispersed in the above-described aqueous solution containing acid, ion-exchanged water, etc., held for a certain period of time, and then dried. It is preferable to do. A known drying method can be applied to the drying, but vacuum drying or the like is more preferable.

HLiTi等のH(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiを得る場合、処理時間としては、通常、10時間〜10日間、好ましくは、1日〜7日間である。また、処理時間を短縮するために、適宜、イオン交換水等を新しいものと交換することが好ましい。さらに、交換反応を進行しやすくするために、処理温度を室温よりも高く、30℃〜100℃とすることが好ましい。 HLiTi 3 H (1-y1) of O 7, etc. Li (1 + y1-y2) when obtaining Na y2 Ti 3 O 7, as the processing time is usually 10 hours to 10 days, preferably 1 day to 7 days is there. In order to shorten the treatment time, it is preferable to exchange ion-exchanged water or the like with a new one as appropriate. Furthermore, in order to facilitate the exchange reaction, the treatment temperature is preferably higher than room temperature and 30 ° C to 100 ° C.

(前駆体H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Tiの熱処理)
上記により得られた前駆体H(1−y1)Li(1+y1−y2)Nay2Ti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)NaTi(13+α)が得られる。
(Precursor H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 heat treatment)
By subjecting the precursor H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 obtained above to a heat treatment, the target titanium oxide Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 is obtained. O (13 + α) is obtained.

熱処理雰囲気は特に限定されず、空気中(大気中)、真空中、酸化性雰囲気、還元性雰囲気、不活性雰囲気等が挙げられる。これらの中では、空気中または真空中で熱処理を行うことが好ましい。   The heat treatment atmosphere is not particularly limited, and examples thereof include air (in the air), vacuum, oxidizing atmosphere, reducing atmosphere, and inert atmosphere. In these, it is preferable to heat-process in air or a vacuum.

熱処理温度は、300℃以上550℃未満が好ましく、350℃以上500℃未満がより好ましく、400℃以上480℃未満がさらに好ましい。   The heat treatment temperature is preferably 300 ° C. or higher and lower than 550 ° C., more preferably 350 ° C. or higher and lower than 500 ° C., and further preferably 400 ° C. or higher and lower than 480 ° C.

熱処理時間は、熱処理温度に応じて適宜設定することができ、通常は20分間〜10時間程度であり、好ましくは0.5時間〜5時間であり、より好ましくは0.5時間〜3時間である。なお、熱処理時間とは、熱処理温度を保持する時間を意味する。   The heat treatment time can be appropriately set according to the heat treatment temperature, and is usually about 20 minutes to 10 hours, preferably 0.5 hours to 5 hours, more preferably 0.5 hours to 3 hours. is there. The heat treatment time means a time for maintaining the heat treatment temperature.

熱処理後の冷却方法としては、自然放冷(炉内放冷)、徐冷等が挙げられる。   Examples of the cooling method after the heat treatment include natural cooling (cooling in the furnace) and slow cooling.

必要に応じて、熱処理を2回以上繰り返して実施してもよい。その際、熱処理条件(温度、雰囲気、時間等)はすべて同じであってもよく、異なっていてもよい。   If necessary, the heat treatment may be repeated twice or more. At that time, the heat treatment conditions (temperature, atmosphere, time, etc.) may all be the same or different.

[チタン酸化物]
本発明のチタン酸化物は、式Li(2−x+2α)NaTi(13+α)(式中、xは、0≦x<1、αは、0≦α<0.3を満たす。)で表される。
[Titanium oxide]
The titanium oxide of the present invention has the formula Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 O (13 + α) (wherein x satisfies 0 ≦ x <1 and α satisfies 0 ≦ α <0.3). It is represented by

本発明のチタン酸化物は、典型的には、図1に示すように、x=α=0であるLiTi13である。ただし、0<x<1であってもよく、この場合、0<x≦0.2が好ましく、0<x≦0.1がより好ましい。また、熱処理前の前駆体に含まれるプロトンの割合によっては、0<α<0.3(好ましくは、0<α≦0.2、より好ましくは0<α≦0.1)となる場合がある。 The titanium oxide of the present invention is typically Li 2 Ti 6 O 13 where x = α = 0, as shown in FIG. However, 0 <x <1 may be sufficient. In this case, 0 <x ≦ 0.2 is preferable, and 0 <x ≦ 0.1 is more preferable. Further, depending on the proportion of protons contained in the precursor before the heat treatment, 0 <α <0.3 (preferably 0 <α ≦ 0.2, more preferably 0 <α ≦ 0.1). is there.

本発明のチタン酸化物は、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°(好ましくは18°±0.3°)の範囲に最大ピークを示す。さらに、回折角2θは、10.5°±0.5°(好ましくは10.5°±0.3°)、16°±0.5°(好ましくは16°±0.3°)および19°±0.5°(好ましくは19°±0.3°)の範囲にそれぞれピークを示す。   The titanium oxide of the present invention shows a maximum peak in a diffraction angle 2θ of 18 ° ± 0.5 ° (preferably 18 ° ± 0.3 °) in a powder X-ray diffraction pattern using CuKα rays. . Further, the diffraction angle 2θ is 10.5 ° ± 0.5 ° (preferably 10.5 ° ± 0.3 °), 16 ° ± 0.5 ° (preferably 16 ° ± 0.3 °) and 19 Each peak is shown in the range of ± 0.5 ° (preferably 19 ° ± 0.3 °).

本発明のチタン酸化物は、フーリエ変換赤外吸収スペクトルにおいて、3500cm−1〜3600cm−1の範囲にピークが確認されないことが好ましい。3500cm−1付近のピークはO−H伸縮振動に由来するものであり、このピークが確認されないことから、チタン酸化物中にHが存在しないと考えられる。 Titanium oxide of the present invention, in the Fourier transform infrared absorption spectrum, it is preferable that peak in the range of 3500cm -1 ~3600cm -1 is not confirmed. The peak in the vicinity of 3500 cm −1 is derived from OH stretching vibration, and since this peak is not confirmed, it is considered that H does not exist in the titanium oxide.

LiTi13に代表される式Li(2−x+2α)NaTi(13+α)で表されるチタン酸化物のうち、上記の粉末X線回折パターンを示すものはこれまで知られていなかった。また、このようなチタン酸化物を電極用活物質として適用することについて開示したものもなかった。さらに、結晶構造が斜方晶系のNaLiTi型のトンネル構造であるHLiTiに対して熱処理を行うことにより、上記チタン酸化物が得られるかについては明らかではなかった。 Among the titanium oxides represented by the formula Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 O (13 + α) represented by Li 2 Ti 6 O 13 , those showing the above powder X-ray diffraction pattern have been known so far. It wasn't. In addition, there has been no disclosure of applying such a titanium oxide as an electrode active material. Furthermore, it has not been clear whether the titanium oxide can be obtained by heat-treating HLiTi 3 O 7 , which is an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure.

本発明によれば、式Li(2−x+2α)NaTi(13+α)で表される新規チタン酸化物を製造することが可能であり、この新規チタン酸化物を電極材料の活物質として使用することによって、従来のLiTi13よりも高容量かつ長寿命の二次電池用活物質および二次電池を提供することができる。さらに、この新規チタン酸化物を電極材料の活物質として使用することによって、HLiTiよりもリチウム脱離時の容量が高く、かつ、不可逆容量の低い二次電池用活物質および二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to produce a novel titanium oxide represented by the formula Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 O (13 + α) , and this novel titanium oxide can be used as an active material of an electrode material. By using it, it is possible to provide a secondary battery active material and a secondary battery that have a higher capacity and a longer life than the conventional Li 2 Ti 6 O 13 . Furthermore, by using this novel titanium oxide as an active material for an electrode material, a secondary battery active material and a secondary battery having a higher capacity at the time of lithium desorption and a lower irreversible capacity than HLiTi 3 O 7 Can be provided.

[二次電池用活物質]
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)NaTi(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。
[Active materials for secondary batteries]
The active material for a secondary battery of the present invention is used for an electrode (a positive electrode and a negative electrode) of a secondary battery, and contains the titanium oxide as a main component. That is, the active material for a secondary battery of the present invention has the formula Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 O (13 + α) (wherein x is 0 ≦ x <1, α is 0 ≦ α <0. 3)), and the titanium oxide has a diffraction angle 2θ of 18 ° ± 0 in a powder X-ray diffraction pattern using CuKα rays. A maximum peak is shown in the range of 0.5 °, and peaks are further shown in the ranges of 10.5 ° ± 0.5 °, 16 ° ± 0.5 °, and 19 ° ± 0.5 °.

本発明の二次電池用活物質において、チタン酸化物を「主成分とする」とは、当該チタン酸化物の含有量が51重量%以上、好ましくは70重量%以上、より好ましくは90重量%、さらに好ましくは100重量%であることを意味する。本発明の機能を損なわない限りにおいて、二次電池用活物質には、主成分以外の成分が含まれていてもよい。   In the active material for a secondary battery of the present invention, the “main component” of titanium oxide means that the content of the titanium oxide is 51% by weight or more, preferably 70% by weight or more, more preferably 90% by weight. More preferably, it means 100% by weight. As long as the function of the present invention is not impaired, the active material for a secondary battery may contain a component other than the main component.

本発明のチタン酸化物は、[チタン酸化物]において説明したとおりであるので、その詳細な説明は省略する。
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。
Since the titanium oxide of the present invention is as described in [Titanium oxide], its detailed description is omitted.
In addition, as long as the active material for secondary batteries of this invention has the titanium oxide of this invention as a main component, only 1 type of titanium oxide of this invention may be contained, and the titanium oxide of this invention contains Two or more kinds may be included.

本発明の二次電池用活物質は、本発明のチタン酸化物を用いて製造することができる。本発明のチタン酸化物の製造方法は、[チタン酸化物の製造方法]において説明したとおりであるので、その詳細な説明は省略する。   The active material for a secondary battery of the present invention can be produced using the titanium oxide of the present invention. Since the manufacturing method of the titanium oxide of this invention is as having demonstrated in [the manufacturing method of a titanium oxide], the detailed description is abbreviate | omitted.

[二次電池]
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。
[Secondary battery]
The secondary battery of the present invention is a secondary battery configured to include a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and, if necessary, other battery elements, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is the titanium oxide described above. The active material for secondary batteries which has a thing as a main component is contained.

本発明の二次電池は、正極および負極のうち少なくとも一方が、上記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以外は、従来公知の二次電池の電池要素をそのまま採用することができる。本発明の二次電池は、コイン型、ボタン型、円筒型、全固体型のいずれの構成であってもよい。   The secondary battery of the present invention employs a battery element of a conventionally known secondary battery as it is, except that at least one of the positive electrode and the negative electrode contains the active material for a secondary battery mainly composed of the above titanium oxide. can do. The secondary battery of the present invention may have any configuration of a coin type, a button type, a cylindrical type, and an all solid type.

本発明の二次電池としては、リチウム二次電池が好ましいが、リチウム二次電池以外の金属二次電池であってもよく、例えば、ナトリウム二次電池、カリウム二次電池、マグネシウム二次電池、カルシウム二次電池等を挙げることができる。   The secondary battery of the present invention is preferably a lithium secondary battery, but may be a metal secondary battery other than a lithium secondary battery, such as a sodium secondary battery, a potassium secondary battery, a magnesium secondary battery, A calcium secondary battery etc. can be mentioned.

以下、本発明の二次電池の一例として、リチウム二次電池、特にコイン型リチウム二次電池について説明する。以下で説明する各電池要素は、コイン型リチウム二次電池以外のリチウム電池、および、リチウム二次電池以外の二次電池に対しても同様に適用することができる。   Hereinafter, a lithium secondary battery, particularly a coin-type lithium secondary battery will be described as an example of the secondary battery of the present invention. Each battery element described below can be similarly applied to lithium batteries other than coin-type lithium secondary batteries and secondary batteries other than lithium secondary batteries.

図3は、本発明の二次電池の一例を模式的に示す部分断面図である。図3では、本発明の二次電池をコイン型リチウム二次電池とした一例を示している。このリチウム二次電池1は、負極端子2と、負極3と、電解液が含浸されたセパレータ4と、絶縁パッキング5と、正極6と、正極缶7とにより構成される。   FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing an example of the secondary battery of the present invention. FIG. 3 shows an example in which the secondary battery of the present invention is a coin-type lithium secondary battery. The lithium secondary battery 1 includes a negative electrode terminal 2, a negative electrode 3, a separator 4 impregnated with an electrolytic solution, an insulating packing 5, a positive electrode 6, and a positive electrode can 7.

図3に示すように、正極缶7は下側に配置され、負極端子2は上側に配置される。正極缶7と負極端子2とにより、リチウム二次電池1の外形が形成される。正極缶7と負極端子2との間には、下側から順に正極6と負極3とが層状に設けられる。正極6と負極3との間には、双方を互いに隔てる電解液が含浸されたセパレータ4が介在している。正極缶7と負極端子2は、絶縁パッキング5で電気的に絶縁されている。   As shown in FIG. 3, the positive electrode can 7 is disposed on the lower side, and the negative electrode terminal 2 is disposed on the upper side. The outer shape of the lithium secondary battery 1 is formed by the positive electrode can 7 and the negative electrode terminal 2. Between the positive electrode can 7 and the negative electrode terminal 2, the positive electrode 6 and the negative electrode 3 are provided in layers in order from the lower side. Between the positive electrode 6 and the negative electrode 3, a separator 4 impregnated with an electrolytic solution that separates them from each other is interposed. The positive electrode can 7 and the negative electrode terminal 2 are electrically insulated by an insulating packing 5.

本発明の二次電池においては、上述した二次電池用活物質に対して、必要に応じて導電剤や結着剤等を配合して電極合材を調製し、これを集電体に圧着することにより電極を作製することができる。集電体としては、好ましくはステンレスメッシュ、アルミ箔等を用いることができる。導電剤としては、好ましくはアセチレンブラック、ケッチェンブラック等を用いることができる。結着剤としては、好ましくはテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等を用いることができる。   In the secondary battery of the present invention, the electrode active material is prepared by blending the above-mentioned active material for the secondary battery with a conductive agent, a binder or the like as necessary, and this is crimped to the current collector. By doing so, an electrode can be produced. As the current collector, a stainless mesh, aluminum foil or the like can be preferably used. As the conductive agent, acetylene black, ketjen black or the like can be preferably used. As the binder, tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or the like can be preferably used.

電極合材における二次電池用活物質、導電剤および結着剤等の配合は特に限定されない。通常、導電剤が1〜30重量%程度(好ましくは5〜25重量%)、結着剤が0〜30重量%(好ましくは3〜10重量%)とし、残部が二次電池用活物質となるように配合することが好ましい。   The blending of the active material for the secondary battery, the conductive agent, the binder and the like in the electrode mixture is not particularly limited. Usually, the conductive agent is about 1 to 30% by weight (preferably 5 to 25% by weight), the binder is 0 to 30% by weight (preferably 3 to 10% by weight), and the balance is the active material for the secondary battery. It is preferable to blend so as to be.

セパレータや電池容器等も、公知の電池要素を採用することができる。   A well-known battery element can also be employ | adopted for a separator, a battery container, etc.

電解質としても公知の電解液や固体電解質等を採用できる。例えば、電解液としては、過塩素酸リチウム、6フッ化リン酸リチウム等の電解質を、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の溶媒に溶解させたものを用いることができる。   Known electrolytes and solid electrolytes can also be used as the electrolyte. For example, as an electrolytic solution, an electrolyte such as lithium perchlorate or lithium hexafluorophosphate is used in a solvent such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), propylene carbonate (PC), or diethyl carbonate (DEC). What was dissolved can be used.

本発明の二次電池がリチウム二次電池である場合、上記電極に対する対極としては、例えば金属リチウム、リチウム合金等、負極として機能し、リチウムを吸蔵している公知のものを採用することができる。あるいは、対極として、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)やスピネル型リチウムマンガン酸化物(LiMn)等の、正極として機能し、かつリチウムを吸蔵している公知のものも採用することもできる。すなわち、組み合わせる電極構成材料によって、本発明の活物質を含有する電極は、正極としても負極としても機能できる。なかでも、本発明の活物質を負極活物質として用いることが好ましい。 When the secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery, as the counter electrode with respect to the electrode, for example, a metal lithium, a lithium alloy, or the like that functions as a negative electrode and stores lithium can be employed. . Alternatively, a known electrode that functions as a positive electrode and occludes lithium, such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and spinel type lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), can also be used as the counter electrode. . That is, the electrode containing the active material of the present invention can function as a positive electrode or a negative electrode depending on the electrode constituent material to be combined. Especially, it is preferable to use the active material of this invention as a negative electrode active material.

本発明の二次電池がリチウム二次電池以外である場合においても、本発明の活物質を含有する電極は、正極としても負極としても機能でき、本発明の活物質を負極活物質として用いることが好ましい。   Even when the secondary battery of the present invention is other than a lithium secondary battery, the electrode containing the active material of the present invention can function as a positive electrode or a negative electrode, and the active material of the present invention is used as a negative electrode active material. Is preferred.

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below. The present invention is not limited to these examples.

[Na0.1Li1.9Ti(出発物質)の製造]
純度99%以上の炭酸ナトリウム(NaCO)粉末、純度99.99%以上の炭酸リチウム(LiCO)および純度99.99%以上の二酸化チタン(TiO)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NaLiTi多結晶体(図2)を得た。
[Production of Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 (Starting Material)]
A sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) powder having a purity of 99% or more, a lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) having a purity of 99.99% or more and a titanium dioxide (TiO 2 ) powder having a purity of 99.99% or more in a molar ratio Na: Weighed so that Li: Ti = 1.01: 1.03: 3.00. These were mixed in a mortar, then filled in a JIS standard gold crucible, and heated in an air in a high temperature condition using an electric furnace. The firing temperature was 950 ° C. and the firing time was 24 hours. Thereby, a NaLiTi 3 O 7 polycrystal having a tunnel structure (FIG. 2) was obtained.

得られた試料について、ICP発光分光分析装置(島津製作所製、商品名ICPS−8000)により化学組成を分析したところ、Na:Li:Ti=1.0:1.0:3.0となり、NaLiTiの化学式で妥当であることが確認された。 When the chemical composition of the obtained sample was analyzed by an ICP emission spectroscopic analyzer (trade name ICPS-8000, manufactured by Shimadzu Corporation), Na: Li: Ti = 1.0: 1.0: 3.0 was obtained. The chemical formula of 3 O 7 was confirmed to be valid.

さらに、粉末X線回折装置(ブルカー製、商品名D8 ADVANCE)により試料の粉末X線回折測定を行ったところ、斜方晶系のトンネル構造の単一相であることが確認された。   Furthermore, powder X-ray diffraction measurement of the sample was performed using a powder X-ray diffractometer (trade name D8 ADVANCE, manufactured by Bruker), and it was confirmed that the sample had a single phase of an orthorhombic tunnel structure.

各指数とその面間隔を用いて、最小二乗法により格子定数を求めたところ、以下の値となり、公知のNaLiTiの値と良く一致していた(例えば、V.B.Nalbandyan,Solid State Sci.9,329(2007)参照)。
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)
When the lattice constant was obtained by the least square method using each index and its surface spacing, the following values were obtained, which were in good agreement with the values of the known NaLiTi 3 O 7 (for example, VB Nalbandyan, Solid) State Sci. 9, 329 (2007)).
a = 16.4781mm (error: within 0.0004mm)
b = 5.7356 mm (error: within 0.0002 mm)
c = 11.2226mm (error: within 0.0003mm)

上記で得られたNaLiTi多結晶体を乾燥した後に粉砕した。その粉砕物と、純度99%以上の硝酸リチウム(LiNO)粉末および純度99%以上の塩化リチウム(LiCl)の混合物(モル比88:12)とを、重量比でNaLiTi:(LiNO+LiCl)=1:7.5となるように秤量した。次いで、これらを乳鉢中で混合した後、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気下、400℃で5時間保持することにより、リチウムイオン交換処理を実施した。その後、エタノールでよく洗浄した後、自然乾燥してから再度、リチウムイオン交換処理を実施することにより、出発物質Na0.1Li1.9Ti多結晶体を得た。 The NaLiTi 3 O 7 polycrystal obtained above was dried and pulverized. The pulverized product was mixed with a lithium nitrate (LiNO 3 ) powder having a purity of 99% or more and a mixture of lithium chloride (LiCl) having a purity of 99% or more (molar ratio 88:12) by weight ratio of NaLiTi 3 O 7 : (LiNO 3 + LiCl) = 1: 7.5. Subsequently, these were mixed in a mortar, then filled in an alumina crucible, and held in an air atmosphere at 400 ° C. for 5 hours using an electric furnace to carry out a lithium ion exchange treatment. Then, after thoroughly washing with ethanol, it was naturally dried and then subjected to lithium ion exchange treatment again to obtain a starting material Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 polycrystal.

得られた試料について、ICP発光分光分析法により化学組成を分析したところ、Na:Li:Ti=0.10:1.9:3.0となり、Na0.1Li1.9Tiの化学式であることが確認された。 When the chemical composition of the obtained sample was analyzed by ICP emission spectrometry, Na: Li: Ti = 0.10: 1.9: 3.0 was obtained, and Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 The chemical formula was confirmed.

さらに、粉末X線回折測定により、斜方晶系のトンネル構造の単一相であることが確認された。出発物質Na0.1Li1.9Tiの粉末X線回折図形は、公知のLiTiの粉末回折図形と良く一致していた(例えば、千葉一毅 他、第7回電動車用先進蓄電池国際会議 講演要旨集、P−18(2014)参照)。 Furthermore, it was confirmed by powder X-ray diffraction measurement that it is a single phase of an orthorhombic tunnel structure. The powder X-ray diffraction pattern of the starting material Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 was in good agreement with the known powder diffraction pattern of Li 2 Ti 3 O 7 (see, for example, Kazuaki Chiba et al., No. 7 (Refer to the abstract of the Advanced Conference on Advanced Storage Battery for Rotating Electric Vehicles, P-18 (2014)).

各指数とその面間隔を用いて、最小二乗法により格子定数を求めたところ、以下の値となった。
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)
When the lattice constant was obtained by the least square method using each index and its surface spacing, the following values were obtained.
a = 16.7306 mm (error: within 0.0002 mm)
b = 5.7186 mm (error: within 0.0001 mm)
c = 11.0919 mm (error: within 0.0002 mm)

このようにして得られた出発物質Na0.1Li1.9Ti多結晶体の粒子形状を走査型電子顕微鏡(SEM)(キーエンス製、商品名VE−8800)により調べたところ、Na0.1Li1.9Ti多結晶体は、NaLiTiの形状が維持されており、約1μm角の等方的な形状を有する一次粒子から構成されていることが確認された。 When the particle shape of the starting material Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 polycrystal thus obtained was examined with a scanning electron microscope (SEM) (manufactured by Keyence, trade name VE-8800), The Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 polycrystal is confirmed to be composed of primary particles having an isotropic shape of about 1 μm square while maintaining the shape of NaLiTi 3 O 7. It was done.

[参考例1:HLiTi(前駆体)の製造]
上記で得られた出発物質(Na0.1Li1.9Ti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HLiTi多結晶体を得た。
[Reference Example 1: Production of HLiTi 3 O 7 (Precursor)]
The starting material (Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 polycrystal) obtained above was pulverized, and 1.0 g of the pulverized product was put into 50 ml of ion-exchanged water and heated to 90 ° C. while bathing. For 3 days, proton exchange treatment was performed. Then, by vacuum drying at 90 ° C., to obtain a HLiTi 3 O 7 polycrystal body as a precursor.

得られた試料について、ICP発光分光分析を行った結果、Li量が出発物質であるNa0.1Li1.9Tiと比べて低下していた。 As a result of ICP emission spectroscopic analysis of the obtained sample, the amount of Li was lower than that of Na 0.1 Li 1.9 Ti 3 O 7 as a starting material.

また、熱分析(TGA)(島津製作所製、商品名DTG−60)の結果、450℃までの加熱により、3.0wt%の重量減少が確認された。このことは、以下の分解反応(計算値3.4wt%減少)で説明される。
2HLiTi → HO↑ + LiTi13
Further, as a result of thermal analysis (TGA) (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name DTG-60), a weight reduction of 3.0 wt% was confirmed by heating up to 450 ° C. This is explained by the following decomposition reaction (calculated value 3.4 wt% reduction).
2HLiTi 3 O 7 → H 2 O ↑ + Li 2 Ti 6 O 13

以上の結果から、得られた試料は、Naがやや残留しているものの、HLiTiの化学式で妥当であると考えられる。 From the above results, it is considered that the obtained sample is reasonable in the chemical formula of HLiTi 3 O 7 although Na remains slightly.

さらに、粉末X線回折測定により、斜方晶系の単一相であることが確認された。参考例1に係るHLiTiの粉末X線回折図形を図4に示す。 Further, powder X-ray diffraction measurement confirmed that the phase was orthorhombic single phase. The powder X-ray diffraction pattern of HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1 is shown in FIG.

各指数とその面間隔を用いて、最小二乗法により格子定数を求めたところ、以下の値となった。
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)
When the lattice constant was obtained by the least square method using each index and its surface spacing, the following values were obtained.
a = 16.7510 mm (error: within 0.0005 mm)
b = 5.7621 mm (error: within 0.0002 mm)
c = 11.1136 mm (error: within 0.0004 mm)

また、フーリエ変換赤外分光光度計(アジレント・テクノロジー製、商品名Cary 660 FTIR)により、FTIR測定を行った。参考例1に係るHLiTiのFTIRスペクトルを図6に示す。参考例1に係るHLiTiにおいては、3500cm−1付近のピークが確認された。 Moreover, FTIR measurement was performed with a Fourier transform infrared spectrophotometer (manufactured by Agilent Technologies, trade name Cary 660 FTIR). The FTIR spectrum of HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1 is shown in FIG. In HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1, a peak around 3500 cm −1 was confirmed.

[実施例1:新規LiTi13の製造]
上記で得られた前駆体(HLiTi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LiTi13を得た。
[Example 1: Production of novel Li 2 Ti 6 O 13 ]
The object obtained by filling the crushed and dried product of the precursor (HLiTi 3 O 7 polycrystal) obtained above into an alumina crucible and holding it in air at 450 ° C. for 1 hour using an electric furnace. Li 2 Ti 6 O 13 was obtained.

参考例1で説明したとおり、HLiTiを450℃まで加熱することにより、3.0wt%の重量減少が確認されており、以下の分解反応(計算値3.4wt%減少)で説明される。
2HLiTi → HO↑ + LiTi13
As described in Reference Example 1, a weight reduction of 3.0 wt% was confirmed by heating HLiTi 3 O 7 to 450 ° C., which was explained by the following decomposition reaction (calculated value 3.4 wt% reduction). The
2HLiTi 3 O 7 → H 2 O ↑ + Li 2 Ti 6 O 13

以上の結果から、得られた試料は、Naがやや残留しているものの、LiTi13の化学式で妥当であると考えられる。 From the above results, it is considered that the obtained sample is reasonable in terms of the chemical formula of Li 2 Ti 6 O 13 although Na remains slightly.

実施例1に係るLiTi13の粉末X線回折図形を図4に示す。参考例1に係るHLiTiと同様、実施例1に係るLiTi13においては、約18.2°に最大ピークが確認されたほか、約10.6°、約15.9°、約19.2°にそれぞれピークが確認された。さらに、参考例1に係るHLiTiとは異なるピークが確認された。 FIG. 4 shows a powder X-ray diffraction pattern of Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1. Similar to HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1, in Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1, a maximum peak was confirmed at about 18.2 °, and about 10.6 ° and about 15.9. Peaks were confirmed at about 19.2 ° and at about 19.2 °, respectively. Furthermore, a peak different from that of HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1 was confirmed.

実施例1に係るLiTi13のFTIRスペクトルを図6に示す。参考例1に係るHLiTiと異なり、実施例1に係るLiTi13においては、3500cm−1付近のピークが確認されなかった。この結果から、実施例1に係るLiTi13にはHが存在しないと考えられる。 The FTIR spectrum of Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1 is shown in FIG. Unlike HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1, in Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1, a peak near 3500 cm −1 was not confirmed. From this result, it is considered that H does not exist in Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1.

[比較例1:従来のLiTi13
図5は、比較例1に係るLiTi13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LiTi13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LiTi13の結晶構造は、特許文献1に記載されている従来のLiTi13の結晶構造と明確に異なることが確認できる。
[Comparative Example 1: Conventional Li 2 Ti 6 O 13 ]
FIG. 5 is a powder X-ray diffraction pattern of Li 2 Ti 6 O 13 according to Comparative Example 1. Specifically, it is a conventional powder X-ray diffraction pattern of Li 2 Ti 6 O 13 described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-123424). 4 and 5, the crystal structure of Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1 is clearly different from the crystal structure of the conventional Li 2 Ti 6 O 13 described in Patent Document 1. Can be confirmed.

[電気特性評価]
(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。
[Electrical characteristics evaluation]
(Production of lithium secondary battery)
The titanium oxide obtained in Example 1 and Reference Example 1 was used as an active material, acetylene black as a conductive agent, and tetrafluoroethylene as a binder were mixed at a weight ratio of 5: 5: 1. An electrode was produced by pressure bonding to a mesh. For each electrode, a 1M solution prepared by dissolving lithium metal in a counter electrode and lithium hexafluorophosphate in a mixed solvent (volume ratio 1: 2) of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) is used as an electrolytic solution. A lithium secondary battery (coin-type cell) having the structure shown in FIG. The battery was produced according to a known cell configuration / assembly method.

(リチウム挿入・脱離試験)
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。
(Lithium insertion / extraction test)
Each lithium secondary battery produced was subjected to an electrochemical lithium insertion / extraction test at a current density of 10 mA / g and a cutoff potential of 3.0 V to 1.0 V under a temperature condition of 25 ° C.

(充放電サイクル試験)
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。
(Charge / discharge cycle test)
A charge / discharge cycle test was performed on each of the produced lithium secondary batteries. The measurement conditions were a current density of 10 mA / g under a temperature condition of 25 ° C., and a cut-off potential of 3.0 V to 1.0 V.

図7は、実施例1および参考例1におけるリチウム挿入・脱離反応に伴う電圧変化を示す図である。図7においては、容量が大きくなるに従ってセル電圧が低くなる曲線がリチウム挿入時の電圧変化を示し、容量が大きくなるに従ってセル電圧が高くなる曲線がリチウム脱離時の電圧変化を示している。   FIG. 7 is a diagram showing voltage changes associated with lithium insertion / extraction reactions in Example 1 and Reference Example 1. FIG. In FIG. 7, a curve in which the cell voltage decreases as the capacity increases indicates a voltage change when lithium is inserted, and a curve in which the cell voltage increases as the capacity increases indicates a voltage change when lithium is desorbed.

図8は、比較例1におけるリチウム挿入・脱離反応に伴う電圧変化を示す図である。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LiTi13の電圧変化図である。 FIG. 8 is a diagram showing voltage changes associated with lithium insertion / extraction reactions in Comparative Example 1. Specifically, a voltage variation diagram Patent Document 1 of the prior are described in (JP 2010-123424 JP) Li 2 Ti 6 O 13.

特許文献1によれば、従来のLiTi13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10:5:1となるように混合して電極を作製し、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1:1)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)を作製している。そして、作製した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、1.0Vのカットオフ電位で電気化学的リチウム挿入・脱離試験を行っている。その後、3.0V〜1.0Vのカットオフ電位で充放電サイクル試験を行っている。 According to Patent Document 1, conventional Li 2 Ti 6 O 13 is used as an active material, acetylene black as a conductive agent, and tetrafluoroethylene as a binder are mixed in a weight ratio of 10: 5: 1. An electrode is prepared, and a 1M solution in which lithium metal is counter electrode and lithium hexafluorophosphate is dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio 1: 1) is used as an electrolyte. A lithium secondary battery (coin-type cell) having the structure shown in FIG. 3 is produced. The fabricated lithium secondary battery is subjected to an electrochemical lithium insertion / extraction test at a current density of 10 mA / g and a cut-off potential of 1.0 V under a temperature condition of 25 ° C. Thereafter, a charge / discharge cycle test is performed at a cut-off potential of 3.0V to 1.0V.

図8に示すように、比較例1に係るLiTi13を用いたリチウム二次電池は、1.5V付近に電位平坦部を有し、1サイクル目のリチウム挿入容量は活物質重量当たり217mAh/g、リチウム脱離容量は活物質重量当たり120mAh/gである。したがって、不可逆容量Cは97mAh/gである。2サイクル目以降は、容量85〜95mAh/g程度で、可逆的なリチウム挿入・脱離が行われている。 As shown in FIG. 8, the lithium secondary battery using Li 2 Ti 6 O 13 according to Comparative Example 1 has a potential flat portion in the vicinity of 1.5 V, and the lithium insertion capacity at the first cycle is the weight of the active material. Per 217 mAh / g, lithium desorption capacity is 120 mAh / g per active material weight. Therefore, the irreversible capacity C 3 is 97 mAh / g. From the second cycle onward, reversible lithium insertion / extraction is performed at a capacity of about 85 to 95 mAh / g.

一方、参考例1に係るHLiTiを用いたリチウム二次電池は、図7に示すように、1.3Vおよび1.5V付近に電位平坦部を有し、リチウム挿入容量は活物質重量当たり252mAh/g、リチウム脱離容量は活物質重量当たり158mAh/gである。したがって、不可逆容量Cは94mAh/gである。 On the other hand, the lithium secondary battery using HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1 has potential flat portions in the vicinity of 1.3 V and 1.5 V, as shown in FIG. 252 mAh / g per unit, lithium desorption capacity is 158 mAh / g per active material weight. Thus, irreversible capacity C 2 is 94mAh / g.

さらに、実施例1に係るLiTi13を用いたリチウム二次電池は、1.3V、1.6Vおよび2.0V付近に電位平坦部を有し、リチウム挿入容量は活物質重量当たり222mAh/g、リチウム脱離容量は活物質重量当たり185mAh/gである。したがって、不可逆容量Cは37mAh/gである。 Furthermore, the lithium secondary battery using Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1 has a potential flat portion in the vicinity of 1.3 V, 1.6 V, and 2.0 V, and the lithium insertion capacity is based on the weight of the active material. 222 mAh / g, lithium desorption capacity is 185 mAh / g per active material weight. Thus, irreversible capacity C 1 is 37 mAh / g.

図7および図8の結果から、斜方晶系のNaLiTi型のトンネル構造を有するHLiTi(参考例1)および、その熱処理体であるLiTi13(実施例1)を活物質として使用することで、従来のLiTi13(比較例1)よりも二次電池の容量を高くできることが判明した。さらに、HLiTi(参考例1)に対して熱処理を行い、LiTi13(実施例1)とすることで、リチウム脱離容量を高く、かつ、不可逆容量を低くできることが判明した。 From the results of FIG. 7 and FIG. 8, HLiTi 3 O 7 (Reference Example 1) having an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure and Li 2 Ti 6 O 13 (Example 1) which is a heat treatment body thereof. ) As an active material, it was found that the capacity of the secondary battery can be made higher than that of the conventional Li 2 Ti 6 O 13 (Comparative Example 1). Furthermore, it was found that by performing heat treatment on HLiTi 3 O 7 (Reference Example 1) to obtain Li 2 Ti 6 O 13 (Example 1), lithium desorption capacity can be increased and irreversible capacity can be decreased. did.

なお、実施例1に係るLiTi13は、参考例1に係るHLiTiよりもリチウム挿入容量が低い。しかし、これらのチタン酸化物をリチウム二次電池等の負極活物質として使用する場合には、リチウム挿入容量よりもリチウム脱離容量が重要であり、リチウム脱離容量が高いことが望まれている。したがって、参考例1に係るHLiTiよりもリチウム脱離容量が高い実施例1に係るLiTi13は、負極活物質として使用することが特に好ましいと考えられる。 Note that Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1 has a lower lithium insertion capacity than HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1. However, when these titanium oxides are used as negative electrode active materials such as lithium secondary batteries, the lithium desorption capacity is more important than the lithium insertion capacity, and a high lithium desorption capacity is desired. . Therefore, it is considered that Li 2 Ti 6 O 13 according to Example 1 having a higher lithium desorption capacity than HLiTi 3 O 7 according to Reference Example 1 is particularly preferably used as the negative electrode active material.

図9は、上述の充放電サイクル試験を実施して得られた、実施例1および参考例1に係るリチウム二次電池のサイクル数とリチウム挿入容量との関係を示す図である。10サイクル後のリチウム挿入容量は、参考例1および実施例1のいずれも150mAh/g以上であり、比較例1(図8参照、約90mAh/g)よりも高いことが判明した。さらに、実施例1のリチウム挿入容量(186mAh/g)は、参考例1のリチウム挿入容量(157mAh/g)よりも高いことが判明した。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the number of cycles and the lithium insertion capacity of the lithium secondary batteries according to Example 1 and Reference Example 1 obtained by performing the above-described charge / discharge cycle test. The lithium insertion capacity after 10 cycles was found to be 150 mAh / g or more in both Reference Example 1 and Example 1, which was higher than Comparative Example 1 (see FIG. 8, approximately 90 mAh / g). Furthermore, it was found that the lithium insertion capacity (186 mAh / g) of Example 1 was higher than the lithium insertion capacity (157 mAh / g) of Reference Example 1.

図10は、実施例1および参考例1に係るリチウム二次電池のサイクル数とリチウム脱離容量との関係を示す図である。リチウム脱離容量についても、リチウム挿入容量と同様の傾向が見られる。すなわち、参考例1および実施例1のいずれも150mAh/g以上であり、比較例1(図8参照、約85mAh/g)よりも高いことが判明した。さらに、実施例1のリチウム脱離容量(185mAh/g)は、参考例1のリチウム脱離容量(156mAh/g)よりも高いことが判明した。   FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the number of cycles and the lithium desorption capacity of the lithium secondary batteries according to Example 1 and Reference Example 1. The same tendency as the lithium insertion capacity is observed for the lithium desorption capacity. That is, it was found that both Reference Example 1 and Example 1 were 150 mAh / g or higher, which was higher than Comparative Example 1 (see FIG. 8, approximately 85 mAh / g). Furthermore, it was found that the lithium desorption capacity (185 mAh / g) of Example 1 was higher than that of Reference Example 1 (156 mAh / g).

図9および図10の結果から、HLiTi(参考例1)に対して熱処理を行い、LiTi13(実施例1)とすることで、リチウム二次電池のサイクル特性を向上できることも確認された。 From the results of FIG. 9 and FIG. 10, the cycle characteristics of the lithium secondary battery are improved by performing heat treatment on HLiTi 3 O 7 (Reference Example 1) to obtain Li 2 Ti 6 O 13 (Example 1). It was also confirmed that it was possible.

1 二次電池(リチウム二次電池)
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



1 Secondary battery (lithium secondary battery)
2 Negative electrode terminal 3 Negative electrode 4 Separator 5 impregnated with electrolyte 5 Insulation packing 6 Positive electrode 7 Positive electrode can



Claims (8)

式Li(2−x+2α)NaTi(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。
A titanium oxide represented by the formula Li (2-x + 2α) Na x Ti 6 O (13 + α) ,
In the formula, x satisfies 0 ≦ x <1, α satisfies 0 ≦ α <0.3,
In the powder X-ray diffraction pattern using CuKα rays, the diffraction angle 2θ shows a maximum peak in the range of 18 ° ± 0.5 °, and further, 10.5 ° ± 0.5 °, 16 ° ± 0.5 Titanium oxide showing peaks in the range of ° and 19 ° ± 0.5 °, respectively.
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)Nay2Ti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NaLiTi型のトンネル構造である、チタン酸化物の製造方法。
A method for producing a titanium oxide according to claim 1,
The precursor represented by the formula H (1-y1) Li (1 + y1-y2) Na y2 Ti 3 O 7 is heat-treated,
In the precursor formula, y1 and y2 satisfy 0 ≦ y1 + y2 <1,
The method for producing a titanium oxide, wherein the crystal structure of the precursor is an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure.
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。   The method for producing a titanium oxide according to claim 2, wherein the heat treatment of the precursor is performed in a temperature range of 300 ° C. or higher and lower than 550 ° C. in air or in vacuum. 前記前駆体は、式Li(2−z)NaTi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NaLiTi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。
The precursor is synthesized by proton exchange in which at least one of the starting materials Na and Li represented by the formula Li (2-z) Na z Ti 3 O 7 is exchanged for H,
In the formula of the starting material, z satisfies 0 ≦ z <1,
4. The method for producing a titanium oxide according to claim 2, wherein the crystal structure of the starting material is an orthorhombic NaLiTi 3 O 7 type tunnel structure. 5.
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NaLiTi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。 Production method of the starting material, the Na Sodium material and NaLiTi 3 O 7 generated from the lithium material and the titanium raw material is synthesized by lithium ion exchange to replace the Li, titanium oxide according to claim 4. 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。
A method for producing an active material for a secondary battery, comprising:
The manufacturing method of the active material for secondary batteries with which the titanium oxide of Claim 1 is synthesize | combined by the manufacturing method of any one of Claims 2-5.
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。   The active material for secondary batteries which has the titanium oxide of Claim 1 as a main component. 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。

A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte,
A secondary battery in which at least one of the positive electrode and the negative electrode contains the active material for a secondary battery mainly comprising the titanium oxide according to claim 1.

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