2021 Fiscal Year Annual Research Report
Impurity-doped rutile TiO2 as novel anode materials for next-generation rechargeable battery
| Project/Area Number |
19H02817
|
|---|
| Research Institution | Tottori University |
|---|
Principal Investigator |
薄井 洋行 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (60423240)
|
|---|
| 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)
小廣 和哉 高知工科大学, 環境理工学群, 教授 (60170370)
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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| 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 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムイオン電池（LIB）の負極材料として，コストが低く，安全性に優れるルチル型TiO2の開発を独自に進めている．これまでの検討において，ルチル型TiO2の粒子の形態を制御するとともに，Ti4+より大きいイオンサイズと高い価数を持つNb5+，Ta5+をドープすることで，負極性能が改善されることを見出してきた．本研究では，Ti4+より価数の少ない不純物元素イオン（Al3+，Cu2+）をドープした場合のLIB負極特性を評価した．また，ルチル型TiO2は充放電により層状岩塩型のLixTiO2相に変化するが，この時に不純物元素のドープが負極特性にどのような効果をおよぼすかについて調べた．
その結果，価数の低いカチオンをドープすることで，TiO2の酸素欠損量がより多くなり，電子伝導性の改善と，Li拡散経路のサイズ拡大が図られることが明らかとなった．種々のカチオンをドープしたTiO2の負極性能を調べたところ，Cu-doped TiO2負極が最も優れた充放電サイクル性能を示すことがわかった．ルチル型TiO2は充放電により層状岩塩型のLixTiO2相に変化することが知られているが，相変化後においてもCu2+はLixTiO2相に固溶しLi+の拡散経路を広げていることをX線構造解析により確かめた．交流インピーダンス測定の結果，Cuをドープすることで，電荷移動抵抗が約3分の2以下に低減していることがわかった．以上の結果より，Cu2+をドープした場合に優れた性能が得られたのは，結晶構造中のLi+拡散経路のサイズが増大する効果と，酸素欠損量の増加により電子伝導性が改善される効果の両方が得られたためと考えられる．
|
| 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，価数の低いカチオン（Al3+，Cu2+）のドープの効果が，酸素欠損量の増加という面で現れることを解明できた．これに加えて，いままでに詳細は不明であった充放電後の相変化についても踏み込んだ解析を行い，ドープした不純物元素が相変化後の状態（層状岩塩型構造）に固溶していることを明らかにし，これが負極性能向上に大きな役割を果たしていることを見出すことに成功した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでに不純物元素として，Nb，Ta，In，Al，Cuなどを主に検討し，特に価数の低いカチオン（Cu2+）がリチウムイオン電池負極性能の向上に顕著な効果を発揮することを見出してきた．この知見を踏まえて，今後は，同じく二価イオンであるNi2+やZn2+を検討し，TiO2の電子状態の違いが負極性能に与える影響を調査する．また，ナトリウムイオン電池についてはまだ検討が不十分であったため，リチウムイオン電池評価で良い特性を示した負極材料については，積極的にナトリウムイオン電池としても評価を進める．
|
