2020 Fiscal Year Annual Research Report
Impurity-doped rutile TiO2 as novel anode materials for next-generation rechargeable battery
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19H02817
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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, 助教 (50576717)
小廣 和哉 高知工科大学, 環境理工学群, 教授 (60170370)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ルチル型酸化チタン / 不純物元素ドーピング / リチウムイオン電池 / ナトリウムイオン電池 / 負極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
南米に偏在するLi資源に対し，Na資源は安価で入手容易なため，ナトリウムイオン電池（NIB）は大型の蓄電池に適する．ただし，Li+よりも大きい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．研究代表者は種々のNIB負極活物質の創製に成功しており，特に，c軸方向の異方的なイオン拡散経路を有するルチル型TiO2の研究を独自に行っている．これまでに，ルチル型TiO2にNbをドープすると電子伝導性が向上しNa+拡散経路が広がることで，Na+の可逆的な吸蔵－放出反応が起こることを発見してきた．
本年度は，水熱合成法を用いてIn3+（160 pm）でTi4+（121）を置換固溶した単結晶ルチル型TiO2試料を調製した．X線回折および電気抵抗率測定の結果，0.8 at.%程度のInのドープによりNa+拡散経路のサイズが広がり，TiO2の電子伝導性が向上することが確かめられた．また，これらの効果がNbの場合（6 at.%）よりも非常に少ないドープ量で得られることがわかった．充放電試験では，Inを0.8 at.%ドープすることで放電容量が増加し，220 mA h g－1の放電容量を安定に維持する優れた負極性能が得られた．これは，電子とNa+がTiO2粒子内を移動しやすくなったため，より多くのTiO2を利用できるようになったことによるものと推察される．界面活性剤を加えた合成により粒子長を短くしたIn-doped TiO2の場合では，より粒子内部にまでNa+が吸蔵されるようになることでさらに容量が増加し，240 mA h g－1の容量が200サイクル以上にわたり維持されることがわかった．この性能はNb-doped TiO2電極よりも優れており，Inドープの方がより性能改善が図れることを見出した．
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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
本研究の主目的は，ルチル型酸化チタンへの不純物元素ドーピングにより，そのLi+およびNa+吸蔵－放出特性の改善を図ることである．これまでに，Nbのドーピングにより，Liイオン電池およびNaイオン電池における負極特性が向上することを見出してきた．本年度は，Nbに変わる不純物元素としてInを検討した結果，Nbよりも少ないドープ量にもかかわらず，Nbの場合を上回る負極性能を達成できることが明らかとなった．これは，実用の際に不純物ドープ量を減らせることを意味しており，応用の面でも貴重な知見が得られたものと判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに不純物元素としてNb，Ta，Inを主に検討し，これらの元素のドーピングがルチル型酸化チタンの電子構造および蓄電池負極特性に与える影響を解明してきた．一方で，SnやZnなどの他の不純物元素はまだ充分に検討できていない．二価のZn2+，Cu2+のドープにより，どのような効果が得られるかを今後詳細に調査していきたい．また，TiO2粒子の結晶性や粒子サイズが負極特性に大きな影響をおよぼすことが予想されるため，これらの影響についても調査する．
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