| Project/Area Number |
23K26758
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| Project/Area Number (Other) |
23H02065 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
薄井 洋行 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (60423240)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂口 裕樹 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (00202086)
道見 康弘 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (50576717)
新田 紀子 高知工科大学, 理工学群, 准教授 (80412443)
田中 俊行 地方独立行政法人鳥取県産業技術センター, 無機材料グループ, 研究員 (30713771)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
Fiscal Year 2026: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
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| Keywords | ルチル型複合酸化物 / リチウムイオン電池 / ナトリウムイオン電池 / 粒子サイズ / 拡散経路 / 酸化物系固体電池 / 酸化物系負極材料 / 酸素欠損 / 不純物ドープ |
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| Outline of Research at the Start |
ルチル型酸化チタン（TiO2）は，リチウムイオン電池負極として非常に安価で資源豊富な材料であり，その結晶のc軸方向に格段に高いLi+拡散能を有する．ただし，ab面内方向にはLi+の拡散が非常に遅いため性能が致命的に制限され，これまで全く注目されてこなかった．研究代表者はNbのドープ，単結晶化，粒子形状の制御という独自の工夫によりこの問題を克服し，大幅な高性能化に成功してきた．本研究では，従来のルチル型TiO2に比べてはるかに大きいサイズのLi+拡散経路を有するルチル型複合酸化物を新たに取り上げ，上述の工夫を適用し，Li+のみならずNa+も高速拡散できる全く新しい負極材料を創製する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
資源が豊富で安価なNaを用いたナトリウムイオン電池は，定置用や車載用の電源として有望な蓄電デバイスであり注目を集めている．ただし，Li+よりもサイズが大きいNa+を可逆的に吸蔵できる負極活物質の探索が課題である．これまでに研究代表者はc軸方向に沿った一次元的なNa+拡散経路を有するルチル型TiO2の研究に取り組んできた．その中で，Ti4+よりも大きいNb5+をTiO2にドープすると拡散経路が広がり，負極性能を改善できることを見出してきた．しかしながら，Nbの固溶限界は8 at.%程度であるため，ドープによりこれ以上拡散経路を広げることは困難である．これに対し，NbとTiが規則配列したルチル型Ti－Nb複合酸化物（TiNbO4）はNbを50 at.%含むことでNbドープTiO2に比べてさらに広い拡散経路を有するため，一層の性能改善が期待される．本研究課題では，新しい負極活物質としてルチル型TiNbO4を合成し，その負極特性を評価した．
X線回折測定の結果，ゾル－ゲル法で調製したTiNbO4はNb-doped TiO2よりもさらに広いNa+拡散経路を有することを確認した．定電流充放電試験においては，TiO2電極やNb-doped TiO2電極の場合と同様の充放電プロファイルが出現し，TiNbO4電極が可逆的なNa+吸蔵－放出反応を示すことを確かめた．放電容量の充放電サイクル数依存性を評価したところ，TiNbO4電極は270 mA h g－1の放電容量を100サイクルにわたり維持する良好な負極性能を示すことがわかった．これは，TiNbO4が広い拡散経路を有することによりNa+吸蔵時の体積膨張が軽減され，電極の構造を維持できたためであると推察される．以上の結果から，ルチル型構造を有するTiNbO4複合酸化物が有望な新規負極活物質となることを初めて確かめた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ナトリウムイオン電池において，ルチル型TiNbO4の可逆的なNa+吸蔵－放出反応を世界で初めて確認し，この材料が有望な負極材料となることを見出した．いち早くこの成果を論文にまとめて原著論文発表を行い（Electrochem. Commun., 155 (2023) 107579.），国内外の研究グループに対して優位性を確保することができたため．また，本研究の知見を反映させた他の酸化物系材料についても特許申請を２件行うことができたため．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に見出した新規負極活物質であるTiNbO4について，結晶性や粒子形状が負極性能に与える影響はまだ詳細に分かっていないため，今後はそれらに関する取り組みを行う．また，ゾル－ゲル法以外の種々の合成方法を検討するとともに，他の複合酸化物の合成も試みる．
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