JP6438249B2 - Electrode material, electrode layer using the same, battery, and electrochromic device - Google Patents

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Description

後述する実施形態は、バンド伝導特性を示す電極材料、およびそれを用いた電極層、電
池並びにエレクトロクロミック素子に関する。
Embodiments to be described later relate to an electrode material exhibiting band conduction characteristics, an electrode layer using the same, a battery, and an electrochromic device.

電極材料には金属酸化物、炭素など様々な材料が使われている。国際公開第2013/146194号公報(特許文献1)では酸化タングステン粉末を使った電池用電極材料が開示されている。
酸化タングステン粉末などの金属酸化物粉末は、特許文献1に示されているように、プ
ラズマ処理などで昇華工程を行って酸化タングステン粉末(WO)を作製していた。ま
た、特許文献1では得られた酸化タングステン粉末の結晶構造を調製するために酸化雰囲
気中で熱処理を行っている。このような熱処理を行うことにより、結晶構造が安定化した
酸化タングステン粉末が得られている。
このように電極材料に使用されている金属酸化物粉末は酸化雰囲気中で熱処理を行うこ
とにより結晶構造を安定化させていた。結晶構造を安定化させることにより、蓄電特性を
向上させている。
一方で特許文献1のように酸化雰囲気中で熱処理を行った酸化タングステン粉末を電極
材料に用いた場合、それ以上の蓄電特性の向上が見られなかった。
Various materials such as metal oxide and carbon are used for the electrode material. International Publication No. 2013/146194 (Patent Document 1) discloses a battery electrode material using tungsten oxide powder.
As shown in Patent Document 1, a metal oxide powder such as a tungsten oxide powder is subjected to a sublimation process such as plasma treatment to produce a tungsten oxide powder (WO 3 ). In Patent Document 1, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere in order to prepare the crystal structure of the obtained tungsten oxide powder. By performing such heat treatment, a tungsten oxide powder having a stabilized crystal structure is obtained.
Thus, the metal oxide powder used for the electrode material has stabilized the crystal structure by performing heat treatment in an oxidizing atmosphere. Storage characteristics are improved by stabilizing the crystal structure.
On the other hand, when a tungsten oxide powder that has been heat-treated in an oxidizing atmosphere as in Patent Document 1 is used as an electrode material, no further improvement in power storage characteristics was observed.

国際公開第2013/146194号公報International Publication No. 2013/146194

蓄電特性の向上がみられない原因を追究した結果、結晶構造が安定化するに従い金属酸
化物粉末の抵抗率が大きくなることが判明した。抵抗率が大きくなった金属酸化物粉末は
電気の流れやすさが低下する。電気の流れやすさが低下すると電極材料としての特性がそ
れ以上、向上しないことが判明した。
電極材料の電気の流れやすさを示す伝導メカニズムには、大きく分けてバンド伝導とホ
ッピング伝導の2種類がある。従来の金属酸化物粉末は結晶構造を安定化させているため
バンド伝導を有していた。一方で結晶構造を安定化させると、結晶に欠陥がなくなる。欠
陥がなくなると抵抗率が高くなる。抵抗率の高い電極材料ではバンド伝導を有していたと
しても、電極材料としての特性が不十分であった。この原因を追究したところ、バンド伝
導の活性化エネルギーが不十分であることが判明した。
As a result of investigating the cause of no improvement in the storage characteristics, it was found that the resistivity of the metal oxide powder increases as the crystal structure stabilizes. The metal oxide powder having increased resistivity decreases the ease of electricity flow. It has been found that when the ease of electricity flow is reduced, the characteristics as an electrode material are not further improved.
There are roughly two types of conduction mechanisms showing the ease of electricity flow in electrode materials: band conduction and hopping conduction. Conventional metal oxide powders have band conduction because they stabilize the crystal structure. On the other hand, when the crystal structure is stabilized, the crystal has no defects. When the defect disappears, the resistivity increases. Even if the electrode material having a high resistivity has band conduction, the characteristics as the electrode material are insufficient. When the cause was investigated, it was found that the activation energy of band conduction was insufficient.

本発明が解決しようとする課題は、平均粒径50μm以下、バンド伝導の活性化エネル
ギーEαが0.20eV以上であることを特徴とする電極材料を提供するものである。バ
ンド伝導の活性化エネルギーを制御することにより、電子の受け渡しを効率的に行うこと
ができる。このため、実施形態にかかる電極材料を用いた電極層、電池、エレクトロクロ
ミック素子用材料に用いたときに優れた効果を得ることができる。
The problem to be solved by the present invention is to provide an electrode material having an average particle size of 50 μm or less and an activation energy E α of band conduction of 0.20 eV or more. By controlling the activation energy of band conduction, electrons can be transferred efficiently. For this reason, when it uses for the electrode layer using the electrode material concerning embodiment, a battery, and the material for electrochromic elements, the outstanding effect can be acquired.

バンド伝導とホッピング伝導が混在した抵抗率を示す数式。A mathematical expression showing the resistivity of mixed band conduction and hopping conduction. 実施例1〜3および比較例1〜2にかかる酸化タングステン粉末の測定温度と抵抗率の関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the measurement temperature and resistivity of the tungsten oxide powder concerning Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2. 実施例1〜3および比較例1〜2にかかる酸化タングステン粉末の窒素雰囲気中熱処理温度とキャリア密度の関係を例示するグラフ。The graph which illustrates the relationship between the heat processing temperature in nitrogen atmosphere of the tungsten oxide powder concerning Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2, and carrier density. 電極材料を例示する図面。Drawing which illustrates electrode material. 測定温度と抵抗率の関係を測定するための試料の構造を示す図。The figure which shows the structure of the sample for measuring the relationship between measurement temperature and resistivity. 実施形態にかかるキャパシタの構成を示すための図。The figure for showing the composition of the capacitor concerning an embodiment. 実施例1および比較例1の酸化タンステン粉末(電極材料)を用いた電極層の充放電特性を示す図。The figure which shows the charging / discharging characteristic of the electrode layer using the tantalum oxide powder (electrode material) of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1および比較例1の酸化タンステン粉末(電極材料)を用いた電極層のボルタモグラムを示す図。The figure which shows the voltammogram of the electrode layer using the tantalum oxide powder (electrode material) of Example 1 and Comparative Example 1. 交流インピーダンス法によりインピーダンスを測定するための等価回路を示す図。The figure which shows the equivalent circuit for measuring an impedance by alternating current impedance method. 実施例1および比較例1の酸化タンステン粉末(電極材料)のコールコールプロットを示す図。The figure which shows the Cole-Cole plot of the tantalum oxide powder (electrode material) of Example 1 and Comparative Example 1.

実施形態にかかる電極材料は、平均粒径50μm以下、バンド伝導の活性化エネルギー
αが0.20eV以上であることを特徴とするものである。
平均粒径が50μmを超えて大きいと単位当たりの表面積が小さくなる。表面積が小さ
くなると電子の受け渡し効率が低下する。そのため、電極材料の平均粒径は50μm以下
、さらには10μm以下であることが好ましい。
次に、バンド伝導の活性化エネルギーEαが0.20eV以上であることが有効である

また、図1に、バンド伝導とホッピング伝導が混在した抵抗率を示す数式を示した。式中
、ρは抵抗率(Resistivity)、qは電気素量(elementary ch
arge)、Nはサイト数(number of sites)、μはキャリア移動度(
mobility of carriers)、kはボルツマン定数、Tは測定温度(単
位ケルビン)、Eはバンド伝導による活性化エネルギー、εはホッピング伝導による活
性化エネルギーである。また、μはバンド伝導によるキャリア移動度、μはホッピン
グ伝導によるキャリア移動度である。
また、活性化エネルギーEαが0.20eV以上であるということはバンド伝導特性が
強いことを示している。言い換えると、ほとんどホッピング伝導特性を有していない状態
を示している。
バンド伝導とは、半導体(またはイオン結晶)などにおいて、電子(またはホール)が
比較的広い範囲(幅広いバンド領域)で電気伝導が担われている状態を示す。電子(また
はホール)は、半導体(またはイオン結晶)が化学量論組成からずれることによって生じ
るものである。
The electrode material according to the embodiment is characterized in that the average particle size is 50 μm or less and the activation energy E α of band conduction is 0.20 eV or more.
When the average particle size exceeds 50 μm, the surface area per unit decreases. When the surface area is reduced, the electron transfer efficiency is lowered. Therefore, the average particle diameter of the electrode material is preferably 50 μm or less, and more preferably 10 μm or less.
Then, it is effective activation energy E alpha band conduction is equal to or greater than 0.20 eV.
In addition, FIG. 1 shows a mathematical expression showing a resistivity in which band conduction and hopping conduction are mixed. In the formula, ρ is resistivity, q is elementary charge (elementary ch)
large), N is the number of sites (number of sites), and μ is the carrier mobility (
mobility of carriers), k is the Boltzmann constant, T is the measurement temperature (unit Kelvin), E a is the activation energy due to band conduction, and ε is the activation energy due to hopping conduction. Further, μ b is carrier mobility due to band conduction, and μ h is carrier mobility due to hopping conduction.
Further, the activation energy E α being 0.20 eV or more indicates that the band conduction characteristic is strong. In other words, it shows a state having almost no hopping conduction characteristics.
Band conduction refers to a state where electrons (or holes) are electrically conducted in a relatively wide range (wide band region) in a semiconductor (or ionic crystal) or the like. Electrons (or holes) are generated when the semiconductor (or ionic crystal) deviates from the stoichiometric composition.

一方、ホッピング伝導とは、半導体(またはイオン結晶)などにおいて、電子がほとん
ど局在的状態にあり、それらの間を次々に飛躍(ホッピング)することによって電気伝導
が担われている状態を示す。ホッピング伝導では、電子の平均自由工程は原子間距離(不
純物伝導では不純物原子間距離)の程度で、電気伝導率は自由電子的な場合よりもはるか
に小さく、長い平均自由工程をもった自由電子と対照的な挙動を示す。飛躍(ホッピング
)過程は原子の熱振動によって助けられる。また、「電子がほとんど局在的状態にある」
とは、伝導帯(コンダクションバンド)に存在する電子が伝導帯のエネルギー極小点の付
近に存在する状態を示す。ホッピング伝導は「電子がほとんど局在的状態にある」への制
御が必要なため、製造管理が煩雑となる。
On the other hand, hopping conduction refers to a state in which electrons are almost localized in a semiconductor (or ionic crystal) or the like, and electrical conduction is carried out by jumping (hopping) between them one after another. In hopping conduction, the mean free process of electrons is about the distance between atoms (in the case of impurity conduction, the distance between impurity atoms), and the electrical conductivity is much smaller than that of free electrons, and free electrons with a long mean free process. Shows a contrasting behavior. The hopping process is aided by thermal vibrations of the atoms. "Electrons are almost in a localized state"
Indicates a state where electrons existing in the conduction band (conduction band) are present near the energy minimum point of the conduction band. Since hopping conduction needs to be controlled so that “electrons are almost in a localized state”, manufacturing management becomes complicated.

また、電極材料は、常温(25℃)での抵抗率が1000Ωcm以下であり、バンド伝
導特性を示すことが好ましい。また、電極材料は常温(25℃)での抵抗率が10Ωcm
を超えて1000Ωcm以下であることが好ましい。常温(25℃)での抵抗率を100
0Ωcm以下にすることにより、電子の受け渡しを良くすることができる。また、抵抗率
に関しては、欠陥の無い状態の抵抗率を1としたとき、0.95以下になっていることが
好ましい。なお、欠陥の無い状態として理論値を用いてもよい。
バンド伝導特性は、電極材料が化学量論組成からずれることによって生じる。この化学
量論組成からのずれによって、金属酸化物粉末の抵抗率は下がる。一方、常温(25℃)
での抵抗率が10Ωcm以下と低くなると化学量論組成からのずれが大きくなり過ぎて充
放電効率の向上がみられなくなるおそれがある。また、抵抗率が1000Ωcmを超えて
大きいと抵抗率が高いため、電子の受け渡しが低下する。このため、常温(25℃)での
抵抗率は10Ωcmを超えて1000Ωcm以下が好ましい。
The electrode material preferably has a resistivity at 1000 Ωcm or less at room temperature (25 ° C.) and exhibits band conduction characteristics. The electrode material has a resistivity of 10 Ωcm at room temperature (25 ° C.)
Is preferably 1000 Ωcm or less. The resistivity at room temperature (25 ° C) is 100
By setting it to 0 Ωcm or less, the delivery of electrons can be improved. Further, the resistivity is preferably 0.95 or less when the resistivity in a state without defects is 1. In addition, you may use a theoretical value as a state without a defect.
Band conduction properties are caused by the electrode material deviating from stoichiometric composition. Due to this deviation from the stoichiometric composition, the resistivity of the metal oxide powder decreases. On the other hand, normal temperature (25 ℃)
If the resistivity at 10 is lower than 10 Ωcm, the deviation from the stoichiometric composition becomes too large, and the charge / discharge efficiency may not be improved. On the other hand, if the resistivity exceeds 1000 Ωcm, the resistivity is high, so that the delivery of electrons decreases. For this reason, the resistivity at room temperature (25 ° C.) is preferably more than 10 Ωcm and 1000 Ωcm or less.

また、酸素欠損または不純物ドープによる欠損を有することが好ましい。欠損を設ける
ことにより、化学量論組成からのずれを生じさせることができる。この化学量論組成から
のずれによりバンド伝導の活性化エネルギーEαを大きくすることができる。
例えば、三酸化タングステンの場合、化学量論組成はWOとなる。化学量論組成から
ずれが生じるとWO3−x、0<xとなる。
また、酸素欠損量が1×1017cm−3以下であることが好ましい。酸素欠損は結晶
格子の酸素原子の欠落量である。酸素欠損が形成されることによって、電子の通り道を作
ることができる。
Moreover, it is preferable to have a defect due to oxygen deficiency or impurity doping. By providing the defect, a deviation from the stoichiometric composition can be caused. By this deviation from the stoichiometric composition can be increased activation energy E alpha band conduction.
For example, in the case of tungsten trioxide, stoichiometry becomes WO 3. When a deviation from the stoichiometric composition occurs, WO 3−x and 0 <x.
Moreover, it is preferable that oxygen deficiency is 1 * 10 < 17 > cm <-3> or less. Oxygen deficiency is the amount of oxygen atoms missing from the crystal lattice. By forming oxygen vacancies, a path for electrons can be created.

また、キャリア密度が1×1017cm−3以下であることが好ましい。キャリア密度
が1×1017cm−3以下であれば抵抗率を低くし易い。また、キャリア密度の下限は
1×1014cm−3以上であることが好ましい。キャリア密度が1×1014cm−3
以上であると蓄電容量を大きくすることができる。キャリアとは、電子とホールのことで
ある。キャリア密度とは、キャリアとなる電子またはホール(正孔)の存在量を示すもの
である。p型半導体ではキャリアはホール、n型半導体ではキャリアは電子となる。キャ
リア密度は、状態密度とフェルミディラック分布関数の積で求められる。
また、バンド伝導特性を有した上でキャリア密度を1×1014cm−3以上、1×1
17cm−3以下とすることにより、電子(またはイオン)の蓄積量、放出量を増大さ
せることができる。
また、キャリア密度を制御することにより、バンド伝導特性を付与し易くできる。バン
ド伝導はバンド領域である伝導帯にある電子が電気伝導に寄与する。一方、バンド領域の
下部にある電子は電気伝導に寄与しない。このバンド領域の下部にある電子が存在する領
域は不純物領域と呼ばれる。キャリア密度の制御により、フェルミ準位の上昇を抑制でき
る。フェルミ準位の上昇を抑えられるとバンド領域の電子で電気伝導できるのでバンド伝
導特性を付与できる。言い換えると、フェルミ準位が上昇して不純物領域に到達するまで
はバンド伝導特性を有することができる。
上記のように、酸素欠損やキャリア密度の制御には、後述するように非酸化性雰囲気で
熱処理する方法が有効である。
The carrier density is preferably 1 × 10 17 cm −3 or less. If the carrier density is 1 × 10 17 cm −3 or less, the resistivity is easily lowered. Moreover, it is preferable that the minimum of a carrier density is 1 * 10 < 14 > cm < -3 > or more. Carrier density is 1 × 10 14 cm −3
As described above, the storage capacity can be increased. Carriers are electrons and holes. The carrier density indicates the abundance of electrons or holes (holes) serving as carriers. In the p-type semiconductor, the carrier is a hole, and in the n-type semiconductor, the carrier is an electron. The carrier density is obtained by the product of the density of states and the Fermi Dirac distribution function.
In addition, the carrier density is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 1 after having band conduction characteristics.
By setting it to 0 17 cm −3 or less, it is possible to increase the accumulation amount and emission amount of electrons (or ions).
Further, by controlling the carrier density, it is possible to easily impart band conduction characteristics. In band conduction, electrons in the conduction band that is a band region contribute to electrical conduction. On the other hand, the electrons below the band region do not contribute to electrical conduction. A region where electrons exist below the band region is called an impurity region. By controlling the carrier density, an increase in Fermi level can be suppressed. If the increase of the Fermi level can be suppressed, band conduction characteristics can be imparted because electric conduction is possible with electrons in the band region. In other words, it can have band conduction characteristics until the Fermi level rises and reaches the impurity region.
As described above, a method of heat treatment in a non-oxidizing atmosphere is effective for controlling oxygen vacancies and carrier density, as will be described later.

また、−23℃〜127℃の範囲でバンド伝導を示すことが好ましい。−23℃(25
0K)は1000/T=4.0である。また、127℃(400K)は1000/T=2
.5である。後述するように実施形態にかかる電極材料は、電極層、電池、エレクトロク
ロミック素子用材料に適している。これら材料は、主に使用環境が室温(25℃)である
。このため、室温近傍でバンド伝導を示すことが好ましい。また、使用中に温度が上昇す
る場合がある。そのため、127℃(400K)以下、さらには60℃(333K)以下
でバンド伝導を示すことが好ましい。
Moreover, it is preferable to show band conduction in the range of −23 ° C. to 127 ° C. -23 ° C (25
0K) is 1000 / T = 4.0. At 127 ° C (400K), 1000 / T = 2
. 5. As will be described later, the electrode material according to the embodiment is suitable for an electrode layer, a battery, and an electrochromic element material. These materials are mainly used at room temperature (25 ° C.). For this reason, it is preferable to show band conduction near room temperature. Also, the temperature may rise during use. Therefore, it is preferable that band conduction is exhibited at 127 ° C. (400K) or lower, and further 60 ° C. (333K) or lower.

図2に、酸化タングステン粉末の測定温度と抵抗率の関係を例示するグラフを示した。
図2中、横軸は1000/T、Tは測定温度(単位ケルビン:K)である。また、縦軸は
抵抗率(Resistivity)であり、単位はΩcmである。図2は、後述する実施
例1〜3、比較例1〜2を示したものである。比較例1は窒素中熱処理を施していないも
の、実施例1〜3および比較例2は表1に示した窒素中熱処理条件を施したものである。
FIG. 2 shows a graph illustrating the relationship between the measurement temperature and resistivity of the tungsten oxide powder.
In FIG. 2, the horizontal axis is 1000 / T, and T is the measured temperature (unit Kelvin: K). Further, the vertical axis represents resistivity, and the unit is Ωcm. FIG. 2 shows Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 described later. Comparative Example 1 was not subjected to heat treatment in nitrogen, and Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 were subjected to the heat treatment conditions in nitrogen shown in Table 1.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

図2では、実施例1〜3は1000/Tが2.5から4.0と大きくなるに従い抵抗率
も大きくなっている。つまり、実施例1〜3は、右肩上がりのグラフとなっている。これ
は、測定温度が低温になるに従い抵抗率が上がっていることを示している。バンド伝導は
幅広いバンドの中を電子(またはホール)が移動する。バンド伝導特性は温度依存性が高
い。そのため、実施例1〜3は測定温度が高くなる(1000/T値が小さくなる)に従
い連続的に抵抗率が低くなっている。言い換えると、抵抗率に温度依存性があるとバンド
伝導特性を有していると言える。
一方、比較例2は2.5〜4.0の領域で抵抗率がほとんど変化していない。ホッピン
グ伝導特性を有していれば、このように実質的に抵抗率の変化がない特性を示す。このた
め、抵抗率の温度依存性がないときはホッピング伝導特性を有していると言える。
In FIG. 2, in Examples 1 to 3, the resistivity increases as 1000 / T increases from 2.5 to 4.0. That is, Examples 1 to 3 are graphs that rise to the right. This indicates that the resistivity increases as the measurement temperature decreases. In band conduction, electrons (or holes) move through a wide band. Band conduction characteristics are highly temperature dependent. Therefore, in Examples 1 to 3, the resistivity decreases continuously as the measurement temperature increases (1000 / T value decreases). In other words, if the resistivity has temperature dependence, it can be said that it has band conduction characteristics.
On the other hand, in Comparative Example 2, the resistivity hardly changed in the region of 2.5 to 4.0. If it has a hopping conduction characteristic, it shows a characteristic with substantially no change in resistivity. For this reason, it can be said that when the resistivity does not depend on temperature, it has hopping conduction characteristics.

また、横軸に1000/T値(ここで、Tは測定温度(単位:ケルビン))、縦軸に抵
抗率(Ωcm)をプロットしたグラフを作成したとき、1000/Tが2.5の抵抗率を
R1、1000/Tが4.0のときの抵抗率をR2としたとき、R1からR2への直線の
傾きを求める。比較例1のグラフの傾きに対し、実施例1〜3のグラフの傾きの方が大き
くなっている。グラフの傾きが大きくなっているということは、バンド伝導の活性化エネ
ルギーEαが大きくなっていることを示す。
比較例2のようにR1からR2に引いた直線の傾きが小さい(ほぼ水平)の場合、抵抗
率の温度依存性が小さいことを意味する。温度依存性が小さいとホッピング伝導特性が強
くなる。このため、バンド伝導特性による電子(またはイオン)の蓄積、放出を効率的に
行う効果が不十分となるおそれがある。
In addition, when a graph in which the horizontal axis is 1000 / T value (where T is the measured temperature (unit: Kelvin)) and the resistivity (Ωcm) is plotted on the vertical axis, 1000 / T is a resistance of 2.5. When the rate is R1, and the resistivity when R is 1000 / T is 4.0, the slope of the straight line from R1 to R2 is obtained. The slopes of the graphs of Examples 1 to 3 are larger than the slope of the graph of Comparative Example 1. The fact that the slope of the graph is large indicates that the activation energy Eα of band conduction is large.
When the slope of the straight line drawn from R1 to R2 is small (substantially horizontal) as in Comparative Example 2, it means that the temperature dependence of the resistivity is small. When the temperature dependency is small, the hopping conduction characteristic is enhanced. For this reason, there is a possibility that the effect of efficiently accumulating and releasing electrons (or ions) due to the band conduction characteristics may be insufficient.

また、実施形態にかかる電極材料はバンド伝導特性を有していれば、その材質は特に限
定されるものではない。電極材料としては、金属化合物粉末または炭素粉末が好ましい。
これら材料は、欠損量を用いた活性化エネルギーの制御を行い易い。
また、金属化合物としては、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化チタン、タング
ステン酸リチウム、モリブデン酸リチウム、チタン酸リチウム、硫化モリブデン、から選
ばれる1種以上であることが好ましい。これら材料は半導体となり易い。半導体となるこ
とにより、バンド伝導特性を付与しやすくなる。
The electrode material according to the embodiment is not particularly limited as long as the electrode material has band conduction characteristics. As the electrode material, metal compound powder or carbon powder is preferable.
These materials are easy to control the activation energy using the amount of defects.
The metal compound is preferably at least one selected from tungsten oxide, molybdenum oxide, titanium oxide, lithium tungstate, lithium molybdate, lithium titanate, and molybdenum sulfide. These materials tend to be semiconductors. By becoming a semiconductor, it becomes easy to impart band conduction characteristics.

これら金属化合物の具体例としては、次のものが挙げられる。
(1)酸化タングステン:WO3−x、0≦x≦1。
(2)酸化モリブデン:MoO3−x、0≦x≦1。
(3)酸化チタン:TiO2−x、0≦x≦1。
(4)Mo、0<x≦1、0<y≦1、x+y=1としたとき2≦z≦3。
(5)WTi、0<x≦1、0<y≦1、x+y=1としたとき2≦z≦3。
(6)MoTi、0<x≦1、0<y≦1、x+y=1としたとき2≦z≦3。
(7)MoTiα、0<x≦1、0<y≦1、0<α≦1、x+y+α=1と
したとき2≦z≦3。
(8)タングステン酸リチウム:Li3−z、0<x≦1、0<y≦1、0≦z
≦1。
(9)モリブデン酸リチウム:LiMo3−z、0<x≦1、0<y≦1、0≦z
≦1。
(10)チタン酸リチウム:LiTi3−z、0<x≦1、0<y≦1、0≦z≦
1。
(11)硫化モリブデン:MoS2−x、0<x≦1。
上記のように金属酸化物、金属複合酸化物は構成元素として酸素を有していることから
酸素欠損を形成させ易い。その結果、バンド伝導特性を付与させ易い。また、x、y、z
、αがそれぞれ上記範囲を超えると化学的に不安定となり、電子を蓄積する容量が低下す
る。また、酸素欠損、不純物ドープのいずれの方法でもバンド伝導特性を付与できる。
Specific examples of these metal compounds include the following.
(1) Tungsten oxide: WO 3-x , 0 ≦ x ≦ 1.
(2) Molybdenum oxide: MoO 3-x , 0 ≦ x ≦ 1.
(3) Titanium oxide: TiO 2-x , 0 ≦ x ≦ 1.
(4) Mo x W y O z , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, and x + y = 1, 2 ≦ z ≦ 3.
(5) When W x Ti y O z , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, and x + y = 1, 2 ≦ z ≦ 3.
(6) Mo x Ti y O z , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, and x + y = 1, 2 ≦ z ≦ 3.
(7) Mo x W y O z Ti α , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <α ≦ 1, and x + y + α = 1, 2 ≦ z ≦ 3.
(8) Lithium tungstate: Li x W y O 3-z , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z
≦ 1.
(9) Lithium molybdate: Li x Mo y O 3-z , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z
≦ 1.
(10) Lithium titanate: Li x Ti y O 3-z , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z ≦
1.
(11) Molybdenum sulfide: MoS 2-x , 0 <x ≦ 1.
As described above, since the metal oxide and the metal composite oxide have oxygen as a constituent element, oxygen vacancies are easily formed. As a result, it is easy to impart band conduction characteristics. X, y, z
When α exceeds the above range, it becomes chemically unstable and the capacity for storing electrons decreases. Band conduction characteristics can be imparted by either oxygen deficiency or impurity doping.

金属酸化物が化学量論組成を有していれば、常温(25℃)での抵抗率は1000Ωc
mを超えた値となる。実施形態に係る金属酸化物粉末は抵抗率(25℃)が10Ωcmを
超えて1000Ωcm以下であることが好ましい。抵抗率の制御は欠陥量の制御につなが
る。その結果、バンド伝導の活性化エネルギーEαを大きくすることができる。これによ
り、電子(またはイオン)の受け渡しを効率的に行うことができる。このため、実施形態
に係る金属酸化物粉末を電極層に用いたキャパシタは充放電効率が向上する。
充放電効率が高いと、充電した電気を放電する際に損失を低減することができる。その
ため、充放電を行う機器に有効である。
If the metal oxide has a stoichiometric composition, the resistivity at room temperature (25 ° C.) is 1000 Ωc.
The value exceeds m. The metal oxide powder according to the embodiment preferably has a resistivity (25 ° C.) of more than 10 Ωcm and 1000 Ωcm or less. Control of resistivity leads to control of the amount of defects. As a result, the activation energy Eα of band conduction can be increased. Thereby, delivery of electrons (or ions) can be performed efficiently. For this reason, the capacitor using the metal oxide powder according to the embodiment for the electrode layer has improved charge / discharge efficiency.
When charge / discharge efficiency is high, loss can be reduced when discharging charged electricity. Therefore, it is effective for devices that perform charging and discharging.

実施形態にかかる金属酸化物粉末は平均粒径が50μm以下、さらには10μm以下で
あることが好ましい。平均粒径は一次粒子径の平均粒径である。平均粒径が50μmを超
えて大きいと、電極層またはエレクトロクロミック素子用材料として使用する際に使い勝
手が悪くなる。また、あまり粒径が大きくなると多数の粉末にバンド伝導特性を均質に付
与することが難しくなる。
The metal oxide powder according to the embodiment preferably has an average particle size of 50 μm or less, more preferably 10 μm or less. The average particle diameter is the average particle diameter of the primary particle diameter. When the average particle size is larger than 50 μm, the usability is deteriorated when used as an electrode layer or an electrochromic material. If the particle size is too large, it becomes difficult to uniformly impart band conduction characteristics to a large number of powders.

以上のような電極材料は、バンド伝導特性を有しているため、電子の蓄積または放出を
効率的に行うことができる。そのため、電子(またはイオン)の蓄積量と放出量の比(=
放出量/蓄積量)を高くすることができる。また、電子(またはイオン)の受け渡しを効
率的にできるので蓄電と放電を高速化することもできる。そのため、電子のやりとりを行
う製品に用いることが有効である。このような製品として、電極層、電池またはエレクト
ロクロミック素子用材料のいずれか1種が挙げられる。
Since the electrode material as described above has band conduction characteristics, it is possible to efficiently accumulate or emit electrons. Therefore, the ratio of the accumulated amount of electrons (or ions) to the emitted amount (=
(Release amount / accumulation amount) can be increased. In addition, since the transfer of electrons (or ions) can be performed efficiently, the storage and discharge can be speeded up. Therefore, it is effective to use for products that exchange electrons. Examples of such a product include any one of an electrode layer, a battery, and an electrochromic element material.

また、電極材料に用いた場合、電子(またはイオン)の蓄積量と放出量の比を大きくす
ることができるので、充放電効率が向上する。実施形態にかかる電極材料を用いた電池は
充放電効率を高くすることができる。電池に関しては、二次電池、キャパシタ、コンデン
サなどが挙げられる。また、電極材料を層状にした電極層は負極として用いることが好ま
しい。負極は電子の受け渡しを行うため、特に適している。また、充放電特性を活かすた
めにはキャパシタに用いることが好ましい。実施形態の電極材料を用いたキャパシタは、
パワー密度を500W/kg以上、さらには1500W/kg以上にすることができる。
また、電解液に含まれるLiイオンの受け渡しも効率よく行うことができる。また、パワ
ー密度の高いキャパシタであったとしても充放電効率の高いキャパシタをなしえることが
できる。
In addition, when used as an electrode material, the ratio of the accumulated amount of electrons (or ions) to the emitted amount can be increased, so that the charge / discharge efficiency is improved. The battery using the electrode material according to the embodiment can increase the charge / discharge efficiency. As for the battery, a secondary battery, a capacitor, a capacitor and the like can be given. Moreover, it is preferable to use the electrode layer which made the electrode material layered as a negative electrode. The negative electrode is particularly suitable because it delivers and receives electrons. Moreover, it is preferable to use for a capacitor in order to make use of the charge / discharge characteristics. The capacitor using the electrode material of the embodiment is
The power density can be 500 W / kg or more, further 1500 W / kg or more.
In addition, Li ions contained in the electrolytic solution can be efficiently delivered. Moreover, even if it is a capacitor with high power density, a capacitor with high charge / discharge efficiency can be achieved.

また、エレクトロクロミック素子用材料に使うことも有効である。エレクトロクロミッ
ク素子用材料は、電荷を印可したときに光物性に可逆的変化が見られる材料である。この
ため電子図書やディスプレイなどの表示装置(エレクトロクロミック素子)に使用されて
いる。電子の蓄積量と放出量の比を大きくしているので、光物性に可逆的変化を早くする
ことができる。
It is also effective to use it as a material for electrochromic elements. An electrochromic device material is a material in which a reversible change in optical properties is observed when an electric charge is applied. For this reason, it is used for display devices (electrochromic elements) such as electronic books and displays. Since the ratio between the amount of accumulated electrons and the amount of emitted electrons is increased, the reversible change in optical properties can be accelerated.

次に、実施形態にかかる電極材料の製造方法を説明する。実施形態にかかる電極材料は平
均粒径50μm以下、バンド伝導の活性化エネルギーEαが0.20eV以上であればそ
の製造方法は特に限定されるものではないが効率よく得る方法として次のものが挙げられ
る。
まず、電極材料の原料粉末を用意する。原料粉末は電極材料が金属化合物のときは金属
化合物粉末、電極材料が炭素のときは炭素粉末を用意する。金属化合物粉末に関しては、
金属酸化物粉末(金属複合酸化物含む)または金属硫化物粉末を用意する。金属酸化物粉
末に関しては、上記(1)〜(10)に示した金属酸化物粉末または金属複合酸化物粉末
が好ましい。また、金属硫化物は硫化モリブデン粉末であることが好ましい。
電極材料粉末は、平均粒径50μm以下、さらには平均粒径10μm以下が好ましい。
さらに好ましくは平均粒径5μm以下である。平均粒径が小さい方が欠損を付与し易い。
また、平均粒径が小さい方が単位体積あたりの表面積を大きくできる。表面積が大きくな
ることにより、電子(またはイオン)を受け渡しする領域が増えるので蓄電容量を向上さ
せることができる。
Next, the manufacturing method of the electrode material concerning embodiment is demonstrated. The electrode material according to the embodiment is not particularly limited as long as the average particle size is 50 μm or less and the activation energy E α of band conduction is 0.20 eV or more. Can be mentioned.
First, a raw material powder for an electrode material is prepared. As the raw material powder, a metal compound powder is prepared when the electrode material is a metal compound, and a carbon powder is prepared when the electrode material is carbon. For metal compound powder,
A metal oxide powder (including a metal composite oxide) or a metal sulfide powder is prepared. Regarding the metal oxide powder, the metal oxide powder or metal composite oxide powder shown in the above (1) to (10) is preferable. The metal sulfide is preferably molybdenum sulfide powder.
The electrode material powder preferably has an average particle size of 50 μm or less, and more preferably an average particle size of 10 μm or less.
More preferably, the average particle size is 5 μm or less. The smaller the average particle size, the easier it is to give defects.
Further, the surface area per unit volume can be increased when the average particle size is smaller. By increasing the surface area, the region for transferring electrons (or ions) increases, so that the storage capacity can be improved.

また、粒径の小さな粉末を製造する方法として昇華工程を利用する方法が挙げられる。
また、昇華工程は、プラズマ処理、アーク放電処理、レーザ処理または電子線処理のいず
れか1種であることが好ましい。プラズマ処理としては、誘導結合型プラズマ処理が好ま
しい。誘導結合型プラズマ処理はプラズマ炎を使うことにより、平均粒径50μm以下、
さらには10μm以下の金属化合物粉末を得易い。また、金属酸化物粉末(金属複合酸化
物含む)を作製する場合は酸素含有雰囲気中で昇華工程を行うものとする。また、金属硫
化物粉末を作製する場合は硫黄含有雰囲気中で昇華工程を行うものとする。
また、昇華工程後に得られた金属酸化物粉末に対し、酸素含有雰囲気で熱処理を行って
も良い。なお、酸素含有雰囲気としては大気が挙げられる。また、昇華工程後に得られた
金属硫化物粉末に対し、硫黄含有雰囲気で熱処理を行っても良い。昇華工程後に酸素含有
雰囲気中または硫黄含有雰囲気中で熱処理を行うことによって欠陥のない金属化合物粉末
を作製することができる。このような工程を行うことにより、欠損を設ける工程で欠陥量
を制御し易くなる。
また、ここでは昇華工程後の熱処理工程として説明したが、昇華工程以外の製造方法で
製造された金属化合物粉末に対して行っても良い。
Moreover, the method of utilizing a sublimation process is mentioned as a method of manufacturing powder with a small particle size.
The sublimation process is preferably any one of plasma treatment, arc discharge treatment, laser treatment, and electron beam treatment. As the plasma treatment, inductively coupled plasma treatment is preferable. Inductively coupled plasma treatment uses a plasma flame to reduce the average particle size to 50 μm or less.
Furthermore, it is easy to obtain a metal compound powder of 10 μm or less. Moreover, when producing metal oxide powder (including metal composite oxide), the sublimation process is performed in an oxygen-containing atmosphere. Moreover, when producing metal sulfide powder, the sublimation process shall be performed in a sulfur-containing atmosphere.
Further, the metal oxide powder obtained after the sublimation process may be heat-treated in an oxygen-containing atmosphere. The oxygen-containing atmosphere includes air. Moreover, you may heat-process in sulfur containing atmosphere with respect to the metal sulfide powder obtained after the sublimation process. By performing heat treatment in an oxygen-containing atmosphere or a sulfur-containing atmosphere after the sublimation step, a metal compound powder having no defect can be produced. By performing such a process, it becomes easy to control the amount of defects in the process of providing defects.
Moreover, although demonstrated here as the heat processing process after a sublimation process, you may carry out with respect to the metal compound powder manufactured with manufacturing methods other than a sublimation process.

次に、電極材料の原料粉末に欠損を設ける工程を行う。欠損を設ける工程は、酸素欠損
または不純物ドープにより欠損を付与する工程が好ましい。
酸素欠損を設けるには、非酸化性雰囲気中で熱処理することが有効である。非酸化性雰
囲気としては、窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気や、水素などの還元性雰囲気が挙げら
れる。この中では窒素雰囲気中の熱処理が好ましい。窒素ガスはアルゴンガスや水素ガス
と比べて安価であることからコストメリットがある。
Next, a step of providing defects in the raw material powder of the electrode material is performed. The step of providing defects is preferably a step of imparting defects by oxygen deficiency or impurity doping.
In order to provide oxygen vacancies, it is effective to perform heat treatment in a non-oxidizing atmosphere. Examples of the non-oxidizing atmosphere include an inert atmosphere such as nitrogen and argon, and a reducing atmosphere such as hydrogen. Among these, heat treatment in a nitrogen atmosphere is preferable. Nitrogen gas has a cost advantage because it is less expensive than argon gas or hydrogen gas.

また、非酸化性雰囲気中の熱処理温度は200℃以上、530℃未満の範囲であること
が好ましい。熱処理温度が200℃未満では酸素欠損量が少なくなり易いためバンド伝導
特性が十分得られない。一方、530℃以上と高温で熱処理を行うと酸素欠陥量が多くな
りすぎるためバンド伝導の活性化エネルギーEαが反って小さくなってしまうおそれがあ
る。そのため、熱処理温度は200℃以上530℃未満、さらには280℃以上510℃
以下が好ましい。また、熱処理時間は1分以上が好ましい。また、熱処理時間の上限は6
0分以下が好ましい。60分を超えて長時間熱処理を施すと酸素欠陥が増え過ぎて金属酸
化物粉末の酸素量が減り過ぎる。金属酸化物粉末から酸素が減りすぎると化学的に不安定
となり、電子を蓄積する容量が低下する。また、長時間の熱処理は粒成長を伴うため平均
粒径が10μmを超えるおそれがある。熱処理時間は、1〜60分、さらには3〜20分
が好ましい。
Moreover, it is preferable that the heat processing temperature in non-oxidizing atmosphere is the range of 200 degreeC or more and less than 530 degreeC. If the heat treatment temperature is less than 200 ° C., the amount of oxygen vacancies tends to decrease, so that the band conduction characteristics cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if heat treatment is performed at a high temperature of 530 ° C. or higher, the amount of oxygen defects becomes too large, and the activation energy E α of band conduction may be warped and become small. Therefore, the heat treatment temperature is 200 ° C. or higher and lower than 530 ° C., and further 280 ° C. or higher and 510 ° C.
The following is preferred. The heat treatment time is preferably 1 minute or longer. The upper limit of the heat treatment time is 6
0 minutes or less is preferable. When heat treatment is performed for longer than 60 minutes, oxygen defects increase too much and the amount of oxygen in the metal oxide powder decreases too much. If oxygen is reduced too much from the metal oxide powder, it becomes chemically unstable and the capacity for storing electrons decreases. Moreover, since long-time heat treatment is accompanied by grain growth, the average particle size may exceed 10 μm. The heat treatment time is preferably 1 to 60 minutes, more preferably 3 to 20 minutes.

また、非酸化性雰囲気として、水素雰囲気などの還元性雰囲気を用いても良い。また、
これ以外にも不純物ドープにより欠損を形成する方法もある。
A reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere may be used as the non-oxidizing atmosphere. Also,
In addition to this, there is a method of forming defects by impurity doping.

(実施例)
(実施例1〜3、比較例1〜2)
原料粉末として1.5μmの酸化タングステン粉末を用意した。この原料粉末を空気を
キャリアガスとして誘導結合プラズマ炎に平均流速1.5m/sとなるように噴霧し、原
料粉末を昇華させながら酸化反応を行う昇華工程により酸化タングステン(WO)粉末
を得た。得られた酸化タングステン(WO3)粉末の平均粒径は8.2nm(0.008
μm)であった。
その後大気中で450℃×50時間熱処理を行い、単斜晶のWO3粉末を作製した。得
られたWO粉末の平均粒径は25nmであった。この工程により得られたWO粉末を
比較例1とした。比較例1のWOに対し、表2に示す条件で窒素中熱処理を行った。こ
の工程を経て、実施例1〜3、比較例2にかかる酸化タングステン粉末を用意した。
(Example)
(Examples 1-3, Comparative Examples 1-2)
A tungsten oxide powder of 1.5 μm was prepared as a raw material powder. This raw material powder is sprayed onto an inductively coupled plasma flame using air as a carrier gas so as to have an average flow rate of 1.5 m / s, and a tungsten oxide (WO 3 ) powder is obtained by a sublimation process in which an oxidation reaction is performed while sublimating the raw material powder. It was. The average particle diameter of the obtained tungsten oxide (WO3) powder was 8.2 nm (0.008
μm).
Thereafter, heat treatment was performed in air at 450 ° C. for 50 hours to produce monoclinic WO 3 powder. The average particle size of the obtained WO 3 powder was 25 nm. The WO 3 powder obtained by this step was designated as Comparative Example 1. The WO 3 of Comparative Example 1 was heat treated in nitrogen under the conditions shown in Table 2. Through this process, tungsten oxide powders according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 were prepared.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

得られた酸化タングステン粉末の組成、平均粒径を測定した。酸化タングステン粉末の組
成(酸素欠陥)分析は、KMnO溶液を用いて低電化のW(W4+、W5+)イオンを全
て酸化しW6+にするのに要したKMnO量を化学分析で定量することにより行った。
この分析により、WO3−xに置き換え、x値を求めた。このx値を酸素欠陥量とした。ま
た、粒径はBET比表面積測定から換算した。また、バンド伝導の活性化エネルギーEα
eV)を測定した。活性化エネルギーEαはアレニウスプロットにより求めた。
その結果を表3に示す。
The composition and average particle diameter of the obtained tungsten oxide powder were measured. The composition (oxygen defect) analysis of the tungsten oxide powder was performed by chemical analysis to determine the amount of KMnO 4 required to oxidize all W (W 4+ , W 5+ ) ions with a KMnO 4 solution to W 6+. It was done by doing.
By this analysis, it was replaced with WO 3-x to obtain the x value. This x value was defined as the amount of oxygen defects. The particle size was converted from the BET specific surface area measurement. In addition, the activation energy E α (
eV) was measured. The activation energy E α was determined by the Arrhenius plot.
The results are shown in Table 3.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

表から分かる通り、実施例にかかる酸化タングステン粉末はバンド伝導の活性化エネル
ギーEαが0.20eV以上であった。
実施例1〜3、比較例1〜2にかかる酸化タングステン粉末に対し、温度と抵抗率の関
係を測定した。その結果を図2に示す。
図2は、横軸が1000/T、Tは測定温度(単位ケルビン)、縦軸が抵抗率(単位Ω
cm)である。測定温度を変えたときの抵抗率を測定した。図5に測定温度と抵抗率の関
係を測定するための測定用試料の構造を示した。
図5中、2は測定用試料、3はn−Si基板、4はSiO層、5は実施例(または比
較例)の酸化タングステン粉末からなる電極層、6は金属電極、である。SiO層4は
厚さ400nm、酸化タングステン粉末からなる電極層5は厚さ100nm、金属電極層
6(6a、6b、6c、6d)は金属タングステンからなり厚さ50nm(直径200μ
m)である。
As can be seen, the tungsten oxide powder according to the embodiment the activation energy E alpha band conduction is equal to or greater than 0.20 eV.
For the tungsten oxide powders according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the relationship between temperature and resistivity was measured. The result is shown in FIG.
In FIG. 2, the horizontal axis is 1000 / T, T is the measured temperature (unit Kelvin), and the vertical axis is the resistivity (unit Ω).
cm). The resistivity was measured when the measurement temperature was changed. FIG. 5 shows the structure of a measurement sample for measuring the relationship between measurement temperature and resistivity.
In FIG. 5, 2 is a measurement sample, 3 is an n-Si substrate, 4 is a SiO 2 layer, 5 is an electrode layer made of tungsten oxide powder of an example (or comparative example), and 6 is a metal electrode. The SiO 2 layer 4 has a thickness of 400 nm, the electrode layer 5 made of tungsten oxide powder has a thickness of 100 nm, and the metal electrode layers 6 (6a, 6b, 6c, 6d) have a thickness of 50 nm (diameter 200 μm).
m).

抵抗率の測定は、金属電極6aへの印可電圧、電流をV、Iとする。金属電極6b
を測定端子とし、検出電圧をV、検出電流をIとする。また、金属電極6cも測定端
子とし、検出電圧をV、検出電流をIとする。また、金属電極6dへの印可電圧、電
流をV、Iとする。金属電極6aと6d間に電圧V、電流Iを印可する。測定端
子としての金属電極6bと6cの電圧差(V−V(単位ボルトV))に対する抵抗差
((V−V)/I(単位オームΩ))を調べた。この抵抗差((V−V)/I
)を酸化タングステン粉末からなる電極層5とした。測定においては電圧V1を−15
〜15Vにより行った。
In the measurement of the resistivity, the applied voltage and current to the metal electrode 6a are V 1 and I 1 . Metal electrode 6b
Is a measurement terminal, a detection voltage is V 2 , and a detection current is I 2 . The metal electrode 6c is also a measurement terminal, the detection voltage is V 3 , and the detection current is I 3 . Further, the applied voltage and current to the metal electrode 6d are V 4 and I 4 . A voltage V 1 and a current I 1 are applied between the metal electrodes 6a and 6d. The resistance difference ((V 2 −V 3 ) / I 1 (unit ohm Ω)) with respect to the voltage difference (V 2 −V 3 (unit volt V)) between the metal electrodes 6 b and 6 c as the measurement terminals was examined. This resistance difference ((V 2 −V 3 ) / I
1 ) was used as the electrode layer 5 made of tungsten oxide powder. In measurement, the voltage V1 is set to -15.
Performed at ~ 15V.

図2をみて分かる通り、実施例1〜3にかかる酸化タングステン粉末は1000/Tが
2.5〜4.0の領域で抵抗率に温度依存性を示している。この結果、実施例1〜3にか
かる酸化タングステン粉末はバンド伝導特性が主体であることが分かる。
一方、比較例1にかかる酸化タングステン粉末は、右肩上がりのグラフとなっている。
このためバンド伝導は示しているが、抵抗率は高い。また、比較例2は抵抗率がほとんど
変化していない。このため、比較例2はホッピング伝導が主体であることが分かる。
As can be seen from FIG. 2, the tungsten oxide powders according to Examples 1 to 3 show temperature dependency of the resistivity in a region where 1000 / T is 2.5 to 4.0. As a result, it can be seen that the tungsten oxide powders according to Examples 1 to 3 mainly have band conduction characteristics.
On the other hand, the tungsten oxide powder according to Comparative Example 1 is a graph that rises to the right.
For this reason, although band conduction is shown, the resistivity is high. In Comparative Example 2, the resistivity is hardly changed. For this reason, it turns out that the comparative example 2 is mainly hopping conduction.

図3に、実施例1〜3および比較例2にかかる酸化タングステン粉末のキャリア密度(
cm−3)を測定した。キャリア密度の測定は状態密度とフェルミディラック分布関数の
積により行った。実施例にかかる酸化タングステン粉末はキャリア密度が1×1014
−3以上1×1017cm−3以下であることが分かった。それに対し、比較例2にか
かる酸化タングステン粉末はキャリア密度が1×1021cm−3以上であった。
FIG. 3 shows carrier densities of tungsten oxide powders according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 (
cm −3 ) was measured. The carrier density was measured by the product of the state density and the Fermi Dirac distribution function. The tungsten oxide powder according to the example has a carrier density of 1 × 10 14 c.
It was found to be m −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less. On the other hand, the tungsten oxide powder according to Comparative Example 2 had a carrier density of 1 × 10 21 cm −3 or more.

(実施例4)
原料粉末として2.0μmの酸化タングステン粉末を用意した。この原料粉末を空気を
キャリアガスとして誘導結合プラズマ炎に平均流速1.2m/sとなるように噴霧し、原
料粉末を昇華させながら酸化反応を行う昇華工程により酸化タングステン(WO)粉末
を得た。得られた酸化タングステン(WO)粉末の平均粒径は12.1nm(0.00
12μm)であった。その後大気中で450℃×50時間熱処理を行い、単斜晶のWO
粉末を作製した。得られたWO粉末の平均粒径は27nmであった。
この工程により得られたWO3粉末に対し、窒素雰囲気中400℃で熱処理を行った。
熱処理時間を0分、30秒、1分、3分、5分、8分、10分、20分、30分とした。
また、熱処理後の酸化タングステン粉末は平均粒径5μm以下であった。
それぞれの試料に対し、1000/Tにおける抵抗率を確認したところ、1分以上20
分以下熱処理したものはバンド伝導特性を示すことが分かった。
また、抵抗率(25℃)は1分以上20分以下行ったものはいずれも10Ωcmを越え
て1000Ωcm以下であった。また、キャリア密度(cm−3)の測定も行った。その
結果を表4に示す。
(Example 4)
A 2.0 μm tungsten oxide powder was prepared as a raw material powder. This raw material powder is sprayed onto an inductively coupled plasma flame using air as a carrier gas so as to have an average flow rate of 1.2 m / s, and a tungsten oxide (WO 3 ) powder is obtained by a sublimation process in which an oxidation reaction is performed while sublimating the raw material powder. It was. The average particle diameter of the obtained tungsten oxide (WO 3 ) powder was 12.1 nm (0.00
12 μm). Thereafter, heat treatment is performed in the atmosphere at 450 ° C. for 50 hours to obtain monoclinic WO 3
A powder was prepared. The average particle size of the obtained WO 3 powder was 27 nm.
The WO3 powder obtained in this step was heat-treated at 400 ° C. in a nitrogen atmosphere.
The heat treatment time was 0 minutes, 30 seconds, 1 minute, 3 minutes, 5 minutes, 8 minutes, 10 minutes, 20 minutes, and 30 minutes.
The tungsten oxide powder after the heat treatment had an average particle size of 5 μm or less.
When the resistivity at 1000 / T was confirmed for each sample, 20 minutes or more 20
Those heat-treated for less than a minute were found to exhibit band conduction characteristics.
In addition, the resistivity (25 ° C.) of 1 to 20 minutes was over 10 Ωcm and 1000 Ωcm or less. The carrier density (cm −3 ) was also measured. The results are shown in Table 4.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

表から分かる通り、熱処理時間の制御により、抵抗率やキャリア密度を制御できること
が分かった。また、長時間熱処理すると欠陥量が増えてバンド伝導の活性化エネルギーE
αが反って小さくなることが分かった。
As can be seen from the table, the resistivity and carrier density can be controlled by controlling the heat treatment time. In addition, when the heat treatment is performed for a long time, the amount of defects increases and the activation energy E of band conduction
It was found that α was warped and decreased.

(実施例1A〜3A、比較例1A)
実施例1〜3および比較例1にかかる酸化タングステン粉末を用いてキャパシタを作製
した。キャパシタの構成は図6に示した。図6中、20はキャパシタ、21は負極側電極
層、22は負極層、23はセパレータ層、24は正極層、25は正極側電極層、である。
負極側電極層21と正極側電極層25は厚さ15μmのアルミ箔である。
次に、実施例または比較例にかかる酸化タングステン粉末と導電助剤としてアセチレン
ブラック、結着材としてPVDFを混合しペーストを作製した。このペーストを負極側電
極層21上に塗布、乾燥させることにより負極層22を作製した。次に、正極材としてL
iCoO粉末を用い、上記負極と同様な方法でペーストを作製し、正極側電極層25上
に塗布、乾燥後、正極層24を作製した。負極層22および正極層24は電極面積を2c
とした。
(Examples 1A to 3A, Comparative Example 1A)
Capacitors were fabricated using the tungsten oxide powders according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. The configuration of the capacitor is shown in FIG. In FIG. 6, 20 is a capacitor, 21 is a negative electrode layer, 22 is a negative electrode layer, 23 is a separator layer, 24 is a positive electrode layer, and 25 is a positive electrode layer.
The negative electrode layer 21 and the positive electrode layer 25 are 15 μm thick aluminum foil.
Next, a tungsten oxide powder according to Example or Comparative Example, acetylene black as a conductive auxiliary agent, and PVDF as a binder were mixed to prepare a paste. The paste was applied on the negative electrode layer 21 and dried to prepare a negative electrode layer 22. Next, as a positive electrode material, L
Using iCoO 2 powder, a paste was prepared in the same manner as the above negative electrode, applied onto the positive electrode layer 25 and dried, and then the positive electrode layer 24 was prepared. The negative electrode layer 22 and the positive electrode layer 24 have an electrode area of 2c.
He was m 2.

また、酸化タングステン粉末とアセチレンブラックの混合比(質量比)は、酸化タング
ステン粉末:アセチレンブラック=100:10とした。また、酸化タングステン粉末と
アセチレンブラックの合計した負極材料の目付け量は10mg/cmとなるように調整
し、乾燥後の膜厚は20μm、空隙率50%となるように形成した。また、正極材料の目
付け量としては負極材料の電気容量に対して十分に余裕のある量を設けた。
また、セパレータ層23としてポリエチレン多孔質膜(膜厚20μm)を用いた。これ
ら、電極、セパレータ層の積層体をアルミ製のセルに組み込み電解液を含浸した後に脱泡
、密閉し、キャパシタを作製した。電解液にはEC/DEC溶液に電解質としてLiPF
を溶解させた溶液を用いた。なお、ECはEthylene Carbonate、D
ECはDiethyl Carbonateの略である。
上記キャパシタを用いて、充放電特性を調べた。まず、電気容量を測定するため充放電
装置を用いて1.0Vから2.0Vまでの電圧範囲で充放電試験を行った。充電は初めに
定電流モードで行い2.0Vに到達した時点で2.0Vの定電圧モードに移行し、電流量
が一定の値に減少するまで充電を継続した。充電終了後一定電流で放電を行い、放電時の
電気容量からキャパシタの電気容量を求めた。電気容量の値としては負極材料1gあたり
の電気容量(mAh/g)を初期の電気容量として求めた。
次に、内部抵抗の測定を直流法により行った。定電流での放電電流量を1mA/cm
、5mA/cmの2水準で変化させた条件で行い、各々の放電開始電圧と負荷電流量の
関係から内部抵抗(Ω・cm)を求めた。
The mixing ratio (mass ratio) of the tungsten oxide powder and acetylene black was tungsten oxide powder: acetylene black = 100: 10. The total weight of the negative electrode material obtained by adding the tungsten oxide powder and acetylene black was adjusted to 10 mg / cm 2, and the film thickness after drying was 20 μm and the porosity was 50%. In addition, the basis weight of the positive electrode material was set to an amount having a sufficient margin with respect to the electric capacity of the negative electrode material.
Further, a polyethylene porous film (film thickness 20 μm) was used as the separator layer 23. These laminates of electrodes and separator layers were assembled in an aluminum cell, impregnated with an electrolytic solution, defoamed and sealed to produce a capacitor. The electrolyte is LiPF as an electrolyte in EC / DEC solution.
A solution in which 6 was dissolved was used. EC is Ethylene Carbonate, D
EC is an abbreviation for Diethyl Carbonate.
Using the capacitor, charge / discharge characteristics were examined. First, in order to measure the electric capacity, a charge / discharge test was performed in a voltage range of 1.0 V to 2.0 V using a charge / discharge device. Charging was first performed in the constant current mode, and when 2.0V was reached, the mode shifted to the 2.0V constant voltage mode, and charging was continued until the amount of current decreased to a constant value. After charging, the battery was discharged at a constant current, and the capacitance of the capacitor was determined from the capacitance at the time of discharge. As the value of the electric capacity, the electric capacity (mAh / g) per 1 g of the negative electrode material was obtained as the initial electric capacity.
Next, the internal resistance was measured by the direct current method. Discharge current at a constant current of 1 mA / cm 2
The internal resistance (Ω · cm 2 ) was determined from the relationship between the discharge start voltage and the load current amount, under the condition of changing at two levels of 5 mA / cm 2 .

更に、キャパシタの充放電サイクル特性を調べるために上記、電気容量の測定法と同様
な充放電試験を1000回繰り返し、容量の維持率を評価した。1000回繰り返し後の
電気容量と初期の電気容量を比較し、サイクル試験後の容量維持率を求めた。なお、サイ
クル試験後の容量維持率は、(サイクル試験後の電気容量/初期の電気容量)×100(
%)により求めた。
表5に初期の電気容量、サイクル試験後の容量維持率、内部抵抗値を示した。
Furthermore, in order to investigate the charge / discharge cycle characteristics of the capacitor, the charge / discharge test similar to the method for measuring the capacitance was repeated 1000 times to evaluate the capacity retention rate. The capacity after 1000 cycles was compared with the initial capacity, and the capacity retention rate after the cycle test was determined. The capacity retention rate after the cycle test is (electric capacity after cycle test / initial electric capacity) × 100 (
%).
Table 5 shows the initial electric capacity, the capacity retention rate after the cycle test, and the internal resistance value.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

また、実施例1A〜3Aおよび比較例1Aにかかるキャパシタのパワー密度を求めた。
パワー密度(W/kg)は、0.25×(V2−V1)/R/セル重量の計算式で求
めた。V2は放電開始電圧、V1は放電終了電圧、Rはセル抵抗(セル電極面積2903
cm)、セル重量は120gで計算した。その結果を表6に示す。
Moreover, the power density of the capacitor concerning Example 1A-3A and Comparative Example 1A was calculated | required.
The power density (W / kg) was determined by a formula of 0.25 × (V2 2 −V1 2 ) / R / cell weight. V2 is the discharge start voltage, V1 is the discharge end voltage, and R is the cell resistance (cell electrode area 2903).
cm 2 ) and the cell weight was 120 g. The results are shown in Table 6.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

表から分かる通り、実施例にかかるキャパシタはパワー密度が高く、高速充放電ができ
ることが分かる。
As can be seen from the table, the capacitor according to the example has a high power density and can be charged and discharged at high speed.

次に、実施例1A〜3Aおよび比較例1Aのキャパシタを用いて充放電効率を求めた。
充放電効率は、充電、放電を共に定電流で行い、充電条件を変えずに放電条件を変化させ
充電時の蓄電容量(mAh)と、放電時の蓄電容量(mAh)の比率を求めることにより
算出した。レート(C)は理論容量に1時間で達する電気量を単位とるものである。電気
容量比が大きいほど早く充放電できることを示す。その結果を表7に示す。
Next, charge / discharge efficiency was determined using the capacitors of Examples 1A to 3A and Comparative Example 1A.
The charge / discharge efficiency is obtained by performing charging and discharging at a constant current, changing the discharge conditions without changing the charging conditions, and determining the ratio of the storage capacity (mAh) during charging to the storage capacity (mAh) during discharging. Calculated. Rate (C) is based on the amount of electricity that reaches the theoretical capacity in one hour. It shows that it can charge / discharge early, so that an electrical capacitance ratio is large. The results are shown in Table 7.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

また、実施例1Aおよび比較例1Aのレート特性比較を図7に示した。図7は横軸がレ
ート(C)、縦軸に電気容量比を示す。図7から分かる通り、実施例1Aにかかるキャパ
シタは電気容量比が高い。これは蓄電した電気量を放電する電気量にできていることを示
している。これは実施例にかかる酸化タングステン粉末(電極材料)が活性化エネルギー
αが0.20eV以上のバンド伝導特性を有しているためである。
次に、実施例1A、比較例1Aにかかるキャパシタのボルタモグラム(voltamm
ogram)を調べた。その結果を図8に示した。ボルタモグラムは、横軸を印可した電
位、縦軸を応答電流値に示したものである。電位を負方向に掃引すると還元波(上側)が
生じる。また、電位を正方向に掃引すると酸化波(下側)が生じる。ボルタモグラムは電
子の移動を伴う酸化還元反応の応答電流を測定するものである。電位を正方向に掃引する
と充電電流、負方向に掃引すると放電電流が流れ、そのピークの電圧値でインターカレー
ションがもっとも活性化された状態になる。この充電、放電のピーク値(電位差)が近接
しているほど反応の可逆性が高く高速な充放電が可能になる。 図8から分かる通り、比
較例に比べ実施例はピーク間の電位差が狭く高速な充放電が可能であることがわかる。
A comparison of rate characteristics between Example 1A and Comparative Example 1A is shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the rate (C), and the vertical axis indicates the capacitance ratio. As can be seen from FIG. 7, the capacitor according to Example 1A has a high capacitance ratio. This indicates that the amount of electricity stored is made the amount of electricity to be discharged. This tungsten oxide powder according to Example (electrode material) is because the activation energy E alpha has a band conduction properties than 0.20 eV.
Next, the voltammogram (voltamm) of the capacitor according to Example 1A and Comparative Example 1A.
ogram). The results are shown in FIG. The voltammogram shows the potential applied on the horizontal axis and the response current value on the vertical axis. When the potential is swept in the negative direction, a reduction wave (upper side) is generated. Further, when the potential is swept in the positive direction, an oxidation wave (lower side) is generated. The voltammogram measures the response current of a redox reaction involving electron transfer. When the potential is swept in the positive direction, the charging current flows, and when the potential is swept in the negative direction, the discharging current flows, and the intercalation is most activated at the peak voltage value. The closer the peak value (potential difference) of this charge and discharge is, the higher the reversibility of the reaction and the faster charge / discharge is possible. As can be seen from FIG. 8, it can be seen that, compared to the comparative example, the example has a narrower potential difference between peaks and can be charged and discharged at high speed.

また、実施例1A、比較例1Aにかかるキャパシタのインピーダンス特性を調べた。イ
ンピーダンス特性の測定は図9に示した等価回路を使った交流インピーダンス法により求
めた。その結果をコールコールプロットにして図10に示した。図10の横軸はインピー
ダンスの実数成分、縦軸はインピーダンスの虚数成分である。交流インピーダンス法は電
極と電解質の界面での電荷移動抵抗などを測定できるものである。
図10から分かる通り、グラフの半円の大きさが実施例1Aに対し、比較例1Aは大き
くなっている。この半円の大きさは電極層と電解質の界面での電荷移動抵抗を示している
。実施例1Aは小さい半円となっている。そのため、実施例1Aは電荷移動抵抗が小さい
ことを意味している。このように酸素欠損を制御し、バンド伝導特性を制御した電極材料
を用いた電極層さらに電池は容量が高く、高速充放電ができることが分かる。
Further, the impedance characteristics of the capacitors according to Example 1A and Comparative Example 1A were examined. The impedance characteristics were measured by the AC impedance method using the equivalent circuit shown in FIG. The result is shown as a Cole-Cole plot in FIG. The horizontal axis in FIG. 10 is the real component of impedance, and the vertical axis is the imaginary component of impedance. The AC impedance method can measure the charge transfer resistance at the interface between the electrode and the electrolyte.
As can be seen from FIG. 10, the size of the semicircle of the graph is larger in Comparative Example 1A than in Example 1A. The size of this semicircle indicates the charge transfer resistance at the interface between the electrode layer and the electrolyte. Example 1A is a small semicircle. Therefore, Example 1A means that the charge transfer resistance is small. Thus, it can be seen that the electrode layer using the electrode material in which the oxygen deficiency is controlled and the band conduction characteristics are controlled, and the battery has a high capacity and can be charged and discharged at high speed.

(実施例5〜6、比較例3)
平均粒径1μmの酸化モリブデン(MoO)粉末を用意した。酸化モリブデン粉末に
対し、大気中で60分熱処理を行った。
次に表8に示す条件で窒素雰囲気中熱処理を行った。
(Examples 5-6, Comparative Example 3)
A molybdenum oxide (MoO 3 ) powder having an average particle diameter of 1 μm was prepared. The molybdenum oxide powder was heat-treated in the atmosphere for 60 minutes.
Next, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere under the conditions shown in Table 8.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

得られた酸化モリブデン粉末の組成、平均粒径を測定した。また、バンド伝導の活性化
エネルギーEα(eV)、酸素欠損量、キャリア密度を測定した。その結果を表9に示す
The composition and average particle diameter of the obtained molybdenum oxide powder were measured. In addition, activation energy E α (eV) of band conduction, oxygen deficiency, and carrier density were measured. The results are shown in Table 9.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

実施例5〜6および比較例3にかかる酸化モリブデン粉末を実施例1と同様の方法で温
度と抵抗率の関係を測定した。その結果、酸化タングステン粉末(図2)と同様に100
0/Tが2.5〜4.0の範囲でバンド伝導特性を有していた。
The relationship between temperature and resistivity of the molybdenum oxide powders according to Examples 5 to 6 and Comparative Example 3 was measured in the same manner as in Example 1. As a result, as with the tungsten oxide powder (FIG. 2), 100
It had band conduction characteristics when 0 / T was in the range of 2.5 to 4.0.

(実施例5A〜6A、比較例3A)
電極材料を実施例5〜6および比較例3に代えた以外は実施例1と同様のキャパシタを
作製した。実施例1Aと同様の方法で初期の電気容量、サイクル試験後の容量維持率、内
部抵抗値を求めた。その結果を表10に示した。
(Examples 5A to 6A, Comparative Example 3A)
A capacitor was prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrode material was changed to Examples 5 to 6 and Comparative Example 3. In the same manner as in Example 1A, the initial electric capacity, the capacity retention rate after the cycle test, and the internal resistance value were determined. The results are shown in Table 10.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

実施例5A〜6Aおよび比較例3Aのキャパシタを用いて実施例1Aと同様の方法で充
放電効率を求めた。その結果を表11に示した。
Using the capacitors of Examples 5A to 6A and Comparative Example 3A, charge / discharge efficiency was determined in the same manner as in Example 1A. The results are shown in Table 11.

Figure 0006438249
Figure 0006438249

表から分かる通り、実施例にかかるキャパシタは電気特性が優れていた。このように活
性化エネルギーEαやキャリア密度を制御してバンド伝導特性を有する電極材料を用いる
ことにより電池(キャパシタ)の特性が向上することが分かる。
As can be seen from the table, the capacitor according to the example had excellent electrical characteristics. Thus, it can be seen that the characteristics of the battery (capacitor) are improved by using the electrode material having the band conduction characteristics by controlling the activation energy and the carrier density.

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示
したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は
、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、
発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範
囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
As mentioned above, although several embodiment of this invention was illustrated, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and without departing from the spirit of the invention,
Various omissions, replacements, changes, etc. can be made. These embodiments and their variations are
The invention is included in the scope and gist of the invention, and is included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof. Further, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.

1…金属酸化物粉末
2…測定用試料
3…n−Si層
4…SiO
5…実施例(または比較例)の酸化タングステン粉末からなる電極層
6…金属電極
20…キャパシタ
21…負極側電極層
22…負極層
23…セパレータ層
24…正極層
25…正極側電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal oxide powder 2 ... Sample for measurement 3 ... n-Si layer 4 ... SiO 2 layer 5 ... Electrode layer 6 made of tungsten oxide powder of Example (or Comparative Example) ... Metal electrode 20 ... Capacitor 21 ... Negative electrode side Electrode layer 22 ... Negative electrode layer 23 ... Separator layer 24 ... Positive electrode layer 25 ... Positive electrode layer electrode layer

Claims (9)

平均粒径50μm以下、バンド伝導の活性化エネルギーEαが0.20eV以上、常温(25℃)での抵抗率が10Ωcmを超えて1000Ωcm以下、酸素欠損または不純物ドープによる欠損を有する酸化タングステンまたは酸化モリブデンであることを特徴とする電極材料。 Tungsten oxide or oxide having an average particle size of 50 μm or less, a band conduction activation energy E α of 0.20 eV or more , and a resistivity at room temperature (25 ° C.) of more than 10 Ωcm to 1000 Ωcm, oxygen deficiency or impurity deficiency An electrode material characterized by being molybdenum . バンド伝導特性を示すことを特とする請求項1に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, which exhibits band conduction characteristics . キャリア密度が1×1017cm−3以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電極材料。 3. The electrode material according to claim 1, wherein the carrier density is 1 × 10 17 cm −3 or less. キャリア密度が1×1014cm−3以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電極材料。 Electrode material according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the carrier density is than 1 × 10 14 cm -3. 平均粒径が10μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電極材料。 The electrode material according to any one of claims 1 to 4, wherein an average particle diameter is 10 µm or less. 請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電極材料を50wt%以上100wt%以下含有することを特徴とする電極層。 An electrode layer comprising the electrode material according to any one of claims 1 to 5 in an amount of 50 wt% to 100 wt%. 請求項記載の電極層を具備したことを特徴とする電池。 A battery comprising the electrode layer according to claim 6 . 請求項記載の電極層を負極として具備したことを特徴とする電池A battery comprising the electrode layer according to claim 6 as a negative electrode. 請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電極材料を具備したことを特徴とするエレクトロクロミック素子。 An electrochromic device comprising the electrode material according to any one of claims 1 to 5 .
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