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公開番号2024033563
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-13
出願番号2022137209
出願日2022-08-30
発明の名称負極材料、負極及び電池
出願人国立大学法人鳥取大学
代理人個人,個人,個人
主分類H01M 4/48 20100101AFI20240306BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】
電池の負極に用いた際に初回放電容量を改善することができる負極材料を提供すること。
【解決手段】
(A)Ti⁴⁺よりイオン半径が大きいイオンの1種類以上と、(B)Ti⁴⁺よりイオン半径が小さいイオンの1種類以上とが共ドープされ、且つルチル型の結晶構造を有する酸化チタンを含む、負極材料。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
（Ａ）Ｔｉ
４＋
よりイオン半径が大きいイオンの１種類以上と、（Ｂ）Ｔｉ
４＋
よりイオン半径が小さいイオンの１種類以上とが共ドープされ、且つルチル型の結晶構造を有する酸化チタンを含む、負極材料。
続きを表示（約 560 文字）【請求項２】
前記イオン（Ａ）及びイオン（Ｂ）の合計物質量：Ｔｉ
４＋
の物質量が、ｘ：１－ｘ（０＜ｘ≦０．３０）である、請求項１に記載の負極材料。
【請求項３】
前記イオン（Ｂ）のイオン半径が０．４０Å以上０．６０Å以下である、請求項１又は２に記載の負極材料。
【請求項４】
前記イオン（Ａ）のイオン半径が０．６１Å以上０．９０Å未満である請求項１又は２に記載の負極材料。
【請求項５】
前記イオン（Ｂ）がＦｅ
３＋
、Ｖ
５＋
及びＡｌ
３＋
の少なくとも一方を含む、請求項１又は２に記載の負極材料。
【請求項６】
前記イオン（Ａ）がＮｂ
５＋
、Ｉｎ
３＋
、Ｔａ
５＋
及びＣｒ
３＋
からなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１又は２に記載の負極材料。
【請求項７】
充放電前後の結晶構造がルチル型である、請求項１又は２に記載の負極材料。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の負極材料を含む、負極。
【請求項９】
請求項８に記載の負極を含む、電池。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、負極材料、負極及び電池に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
代表的な非水電解液系二次電池であるリチウムイオン二次電池は高電圧、高容量を有することから、携帯電話やノートパソコン等の小型電子機器だけでなく、電気自動車やハイブリッド自動車等の自動車用電源や電力貯蔵用の分散電源として広く使用されている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池は、その正極にリチウム含有遷移金属複合酸化物を用い、電解質塩にも種々のリチウム塩を用いている。しかし、リチウムはその産地が偏在する稀少金属元素であり、リチウムに代わる、より安価で入手の容易な材料が求められている。これに対し、同じアルカリ金属元素であるナトリウムを用いたナトリウムイオン二次電池に対する期待が高まっている。
【０００４】
ナトリウムイオン二次電池では、正極活物質には、例えばナトリウムイオンの挿入・脱離が可能なナトリウム含有無機化合物を用いられている。一方、負極活物質には、ナトリウム単体を用いた場合、デンドライトの生成により内部短絡が発生し安全確保が困難であるという問題があることから、合金化反応に基づき高い充放電容量を示すＳｎやＰを用いることが検討されている。しかし、ＳｎやＰでは充放電時の体積変化が大きくサイクル特性が十分でないという問題がある。これに対し、吸蔵－脱離反応に基づく酸化チタンは、容量はＳｎやＰほどではないもののサイクル特性が比較的優れていることから、ナトリウムイオン二次電池の負極活物質として検討がなされている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
S. Passerini et al., J. Power Sources, 251 (2014), 379-385.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のドープされた酸化チタンを負極材料として含む電池には、依然として初回放電容量に改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電池の負極に用いた際に初回放電容量を改善することができる負極材料、及びそれを含む負極及び電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の例示的実施形態を含む。
［１］
（Ａ）Ｔｉ
４＋
よりイオン半径が大きいイオンの１種類以上と、（Ｂ）Ｔｉ
４＋
よりイオン半径が小さいイオンの１種類以上とが共ドープされ、且つルチル型の結晶構造を有する酸化チタンを含む、負極材料。
［２］
前記イオン（Ａ）及びイオン（Ｂ）の合計物質量：Ｔｉ
４＋
の物質量が、ｘ：１－ｘ（０＜ｘ≦０．３０）である、［１］の負極材料。
［３］
前記イオン（Ｂ）のイオン半径が０．４０Å以上０．６０Å以下である、［１］又は［２］の負極材料。
［４］
前記イオン（Ａ）のイオン半径が０．６１Å以上０．９０Å未満である、［１］～［３］のいずれか一つの負極材料。
［５］
前記イオン（Ｂ）がＦｅ
３＋
、Ｖ
５＋
及びＡｌ
３＋
の少なくとも一方を含む、［１］～［４］のいずれか一つの負極材料。
［６］
前記イオン（Ａ）がＮｂ
５＋
、Ｉｎ
３＋
、Ｔａ
５＋
及びＣｒ
３＋
からなる群から選択される少なくとも１種を含む、［１］～［５］のいずれか一つの負極材料。
［７］
充放電前後の結晶構造がルチル型である、［１］～［６］のいずれか一つの負極材料。
［８］
［１］～［７］のいずれか一つの負極材料を含む、負極。
［９］
［８］に記載の負極を含む、電池。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電池の負極に用いた際に初回放電容量を改善することができる負極材料、及びそれを含む負極及び電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
図１は、各負極材料を含む負極を備える電池のサイクル試験の結果を示す図である。
図２は、実施例１の負極材料を含む電池について、製造直後及び１０回の充放電サイクル試験後の負極材料の粉末Ｘ線回折試験の結果を示す回折チャートである。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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