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Title:
TITANIC ACID COMPOUND, PROCESS FOR PRODUCING THE TITANIC ACID COMPOUND, ELECTRODE ACTIVE MATERIAL CONTAINING THE TITANIC ACID COMPOUND, AND STORAGE DEVICE USING THE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/028553
Kind Code:
A1
Abstract:
This invention provides a titanic acid compound-type electrode active material having a high battery capacity and, at the same time, having excellent cycle characteristics. The titanic acid compound exhibits an X-ray diffraction pattern corresponding to a bronze-type titanium dioxide except for a peak for a (003) face and a (-601) face and having a lattice spacing difference between the (003) face and the (-601) face, i.e., d(003) - d(-601), of not more than 0.0040 nm. The titanic acid compound may be produced by reacting a layered alkali metal titanate, represented by a compositional formula MxM'x/3Ti2-x/3O4 wherein M and M', which may be the same or different, represent an alkali metal; and x is in the range of 0.50 to 1.0, with an acidic compound and then heating the reaction product at a temperature in the range of 250 to 450°C.

Inventors:
TANIGUCHI HIROFUMI (JP)
HONMA MASATOSHI (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/065299
Publication Date:
March 05, 2009
Filing Date:
August 27, 2008
Export Citation:
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Assignee:
ISHIHARA SANGYO KAISHA (JP)
TANIGUCHI HIROFUMI (JP)
HONMA MASATOSHI (JP)
International Classes:
C01G23/00; C01G23/047; H01M4/131; H01M4/48; H01M4/485; H01M10/052; H01M10/36
Domestic Patent References:
WO2008111465A12008-09-18
Foreign References:
JP2007137686A2007-06-07
JP2008117625A2008-05-22
JP2007220406A2007-08-30
Other References:
CHIBA K. ET AL: "Soft kagakuteki shuho ni yoru shinki titan sankabutsu no gosei to denki kagaku tokusei", THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY OF JAPAN DAI 74 KAI TAIKAI KOEN YOSHISHU, 29 March 2007 (2007-03-29), pages 230
CHIBA K. ET AL: "Soft kagakuteki shuho ni yoru sojo titan sankabutsu no gosei to denki kagaku tokusei", DAI 47 KAI BATTERY SYMPOSIUM IN JAPAN KOEN YOSHISHU, 20 November 2006 (2006-11-20), pages 602 - 603
YIN S. ET AL: "Phase transformation of protonic layered tetratitanate under solvothermal conditions", JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY, vol. 9, 1999, pages 1191 - 1195, XP008129688
SASAKI T. ET AL: "Protonated pentatitanate: preparation characterizations and cation intercalation", CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 4, no. 4, 1992, pages 894 - 899, XP008129690
See also references of EP 2181964A4
THOMAS P. FEIST ET AL.: "The soft Chemical Synthesis of Ti02(B) from Layered Titanates", JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY, vol. 101, 1992, pages 275 - 295
KAZUKI CHIBA ET AL.: "Synthesis of a layered titanic acid compound by soft chemical means, and electrochemical characteristics thereof", PROCEEDINGS OF THE 47TH BATTERY SYMPOSIUM, 21 November 2006 (2006-11-21)
Attorney, Agent or Firm:
ASAMURA, Kiyoshi et al. (New Ohtemachi Bldg.2-1, Ohtemachi 2-chom, Chiyoda-ku Tokyo 04, JP)
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Claims:
 X線回折パターンが(003)面及び(-601)面のピークを除いてブロンズ型二酸化チタンに相当し、(003)面と(-601)面との面間隔の差(d (003) -d (-601) )が0.0040nm以下であるチタン酸化合物。
 組成式HxTiyOz(0≦x/y≦0.25、2.0≦z/y≦2.2)で表される請求項1記載のチタン酸化合物。
 組成式M x M’ x/3 Ti 2-x/3 O 4 (式中のM、M’は同種または異種のアルカリ金属を表し、xは0.50~1.0の範囲である)で表される層状チタン酸アルカリ金属塩と酸性化合物とを反応させた後、250~450℃の範囲の温度で加熱脱水するチタン酸化合物の製造方法。
 前記層状チタン酸アルカリ金属塩がK 0.8 Li 0.27 Ti 1.73 O 4 またはCs 0.7 Ti 1.825 O 4 である請求項2記載のチタン酸化合物の製造方法。
 得られたチタン酸化合物が組成式HxTiyOz(0≦x/y≦0.25、2.0≦z/y≦2.2)で表される請求項3記載のチタン酸化合物の製造方法。
 加熱脱水を5時間以上行う請求項5記載のチタン酸化合物の製造方法。
 請求項1に記載のチタン酸化合物を含む電極活物質。
 請求項7記載の電極活物質を含む蓄電デバイス。
Description:
チタン酸化合物及びその製造方 並びに該チタン酸化合物を含む電極活物質 電極活物質を用いてなる蓄電デバイス

 本発明は、特定の結晶構造を有するチタ 酸化合物及びその製造方法、このチタン酸 合物を用いた電極活物質、この電極活物質 用いた蓄電デバイスに関する。

 チタン酸化合物は、少なくともチタンと 素を含む化合物であり、このような化合物 しては、例えば、チタン酸、酸化チタン、 酸化チタン等が知られている。酸化チタン は、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイ 型の結晶構造を有する二酸化チタンが知ら ており、近年、ブロンズ型と呼ばれる結晶 造(非特許文献1)も報告されている。一方、 チウム二次電池は、エネルギー密度が高く サイクル特性に優れていることから、近年 速に普及し、電極活物質として一般的に用 られているリチウム・遷移金属複合酸化物 り安価で入手し易いものが求められている そのような電極活物質としてチタン酸化合 が注目されており、例えば、前記のブロン 型二酸化チタン(非特許文献2)や特定組成の 状チタン酸化合物(特許文献1)を用いると、 容量のリチウム電池が得られることが知ら ている。

Thomas P. Feist等、「The Soft Chemical Synthes is of TiO2(B) from Layered Titanates」、Journal of  Solid State Chemistry 101(1992)275-295 千葉一毅等、「ソフト化学的手法による 層状チタン酸化合物の合成と電気化学的特性 」、第47回電池討論会要旨集、2006年11月21日 講演番号2P-08

特開2007-220406号公報

 しかし、非特許文献2、特許文献1等に記 のチタン酸化合物を電極活物質に用いても 電池容量は不十分であり、また、サイクル 性が悪く、充放電を繰り返すと、電池容量 大きく低下してしまうという問題があった

 本発明者らは、これらの問題点を解決す く、鋭意研究を重ねた結果、特定組成の結 構造を有する新規なチタン酸化合物を見出 、更に、このチタン酸化合物を電極活物質 して用いた電池は、高い電池容量と優れた イクル特性が得られることを見出し、本発 を完成させた。

 即ち、本発明は、X線回折パターンが(003)面 び(-601)面のピークを除いてブロンズ型二酸 チタンに相当し、(003)面と(-601)面との面間 の差(d (003) -d (-601) )が0.0040nm以下であるチタン酸化合物である。

 本発明のチタン酸化合物は、特に、電極 物質に用いると、電池特性に優れ、特に高 量でサイクル特性に優れたものである。

 本発明は、チタン酸化合物であって、X線回 折パターンが(003)面及び(-601)面のピークを除 てブロンズ型二酸化チタンに相当し、(003) と(-601)面との面間隔の差(d (003) -d (-601) )が0.0040nm以下であることを特徴とする。ブロ ンズ型二酸化チタンに相当するX線回折パタ ンとは、JCPDSカード35-0088、46-1237、46-1238で示 されるものであり、線源としてCu-Kα線を用い たX線回折パターンにおいて、回折角(2θ)が44 の近傍で、(003)面と(-601)面の2つピークが観 され、その面間隔の差(d (003) -d (-601) )は上記3枚のカードで夫々0.0046,0.00443,0.00447nm なっているものである。これに対し、本発 のチタン酸化合物では、この2つのピークが 実質的に重なっているか、もしくは面間隔が 非常に近接しており、このようなチタン酸化 合物は知られていない。この特徴を具体的に 表現すると、本発明に認められる回折角44° 傍のピークにおいて、低角側を前記のブロ ズ型のパターンの(003)面に、高角側を(-601)面 に相当すると仮定した場合、その面間隔の差 (d (003) -d (-601) )は大きくとも0.0040nmである。本発明チタン酸 化合物は、前記のX線回折パターンを示す少 くともチタンと酸素を含む化合物であれば く、通常の酸化チタン以外にも、チタン酸 水酸化チタン等が包含される。特に、組成 HxTiyOz(0≦x/y≦0.25、2.0≦z/y≦2.2)で表されるチ タン酸化合物であれば、このような結晶構造 を有するものが得られ易く好ましい。その平 均粒子径(電子顕微鏡法による50%メジアン径) 、特に制限を受けないが、通常は、1~500nmの 範囲にあり、1~100nmの範囲であれば更に好ま い。また、粒子形状は、球状、多面体状等 等方性形状、棒状、板状等の異方性形状、 定形状等いずれであってもよく特に制限は い。また、比表面積も特に制限は受けない 、0.1~50m 2 /gの範囲が好ましく、0.1~20m 2 /gの範囲が更に好ましい。

 本発明のチタン酸化合物は、一次粒子を集 させ二次粒子にすると、流動性、付着性、 填性等粉体の粉体特性が向上するので好ま い。本発明における二次粒子とは、一次粒 同士が強固に結合した状態にあり、ファン ルワース力等の粒子間の相互作用で凝集し り、機械的に圧密化されたものではなく、 常の混合、解砕、濾過、水洗、搬送、秤量 袋詰め、堆積等の工業的操作では容易に崩 せず、ほとんどが二次粒子として残るもの ある。二次粒子の平均粒子径(レーザー散乱 法による50%メジアン径)は、用途にもよるが 通常は0.5~100μmの範囲にあるのが好ましい。 表面積は特に制限は無いが、0.1~200m 2 /gの範囲が好ましく、3~200m 2 /gの範囲が更に好ましい。粒子形状も、一次 子と同様に制限は受けず、様々な形状のも を用いることができる。また、後述の電極 物質として用いる場合は、空隙量が0.005~1.0c m 3 /gの範囲であるものが好ましく、0.05~1.0cm 3 /gの範囲のものが更に好ましい。空隙量の測 方法は、例えば、液体窒素温度(77K)で、試 に窒素を吸着・脱着させ、得られた吸着・ 着等温線から細孔容積と細孔分布をPH法で計 算し、細孔容積の累積値を空隙量とする方法 が挙げられる。

 前記の一次粒子あるいは二次粒子の粒子表 には、炭素や、シリカ、アルミナ等の無機 合物、界面活性剤、カップリング剤等の有 化合物から選ばれる少なくとも1種を被覆し てもよい。2種以上用いる場合、それぞれ1層 つ積層したり、また2種以上を混合物や複合 化物として被覆することもできる。被覆種は 、目的に応じて適宜選択するが、特に、電極 活物質として用いる場合、炭素を被覆すると 電気伝導性が良くなるので好ましい。炭素の 被覆量は、TiO 2 換算の本発明のチタン酸化合物に対し、C換 で0.05~10重量%の範囲が好ましい。この範囲よ り少ないと所望の電気伝導性が得られず、多 いと却って特性が低下する。より好ましい被 覆量は、0.1~5重量%の範囲である。尚、炭素の 被覆量は、CHN分析法、高周波燃焼法等により 分析できる。更に、チタン以外の異種元素を 、前記の結晶形を阻害しない範囲で、その結 晶格子中にドープさせるなどして含有させる こともできる。

 次の本発明は、チタン酸化合物の製造方法 あって、組成式M x M’ x/3 Ti 2-x/3 O 4 (式中のM、M’は同種または異種のアルカリ金 属を表し、xは0.50~1.0の範囲である)で表され 層状チタン酸アルカリ金属塩と酸性化合物 を反応させた後、250~450℃の範囲の温度で加 脱水することを特徴とする。

 本発明で用いる層状チタン酸アルカリ金属 は、二酸化チタンからなる層の層間にアル リ金属が挿入されたものであり、前記組成 のMとM’が異種である場合は、Mが層間に存 し、M’が二酸化チタン層中のチタンの一部 と置換された化合物であり、MとM’が同種の 合、二酸化チタン層中のチタン席の一部が 陥となっている化合物であると考えられる 前記層状チタン酸アルカリ金属塩としては 組成式中のMやM’がリチウム、ナトリウム カリウム、ルビジウム、セシウムから選択 れる少なくとも1種であればよく、これらを 限なく用いることができる。MとM’が異種 場合、M’がリチウムで、Mがカリウム、ルビ ジウムまたはセシウムである組み合わせが好 ましい。中でも、K 0.8 Li 0.27 Ti 1.73 O 4 (組成式中のMがカリウム、M’がリチウムで、 x=0.8)で表される層状チタン酸リチウム・カリ ウム、Cs 0.7 Ti 1.825 O 4 (組成式中のM、M’がセシウムでx=0.525)で表さ る層状チタン酸セシウムは、安定性が高く 酸性化合物との反応後にアルカリ金属がほ んど残留しないので工業的に好ましい。

 前記層状チタン酸アルカリ金属塩は、アル リ金属化合物とチタン化合物を、所望の範 の割合にて、乾式または湿式で混合し、500~ 1100℃の範囲、更に好ましくは600~900℃の温度 加熱焼成することで得られる。アルカリ金 化合物としては、アルカリ金属の炭酸塩、 酸塩、水酸化物等を用いることができる。 た、チタン化合物としては、チタンの酸化 、塩化物等や、チタンアルコキシド等の有 チタン化合物を用いることができ、中でも アルカリ金属炭酸塩とチタン酸化合物とを いるのが好ましい。用いるチタン酸化合物 具体的に挙げると、二酸化チタン(TiO 2 )等酸化チタンのほか、メタチタン酸(H 2 TiO 3 )、オルトチタン酸(H 4 TiO 4 )等のチタン酸等が挙げられ、これらから選 れる1種あるいは2種以上を用いることができ る。また、結晶性の化合物であっても、非晶 質であってもよく、結晶性の場合は、ルチル 型、アナターゼ型、ブルッカイト型等、結晶 形も特に制限を受けない。焼成には、流動炉 、静置炉、ロータリーキルン、トンネルキル ン等の公知の加熱焼成炉を用いることができ る。焼成雰囲気としては、大気中、不活性ガ ス中等を適宜選択できる。焼成機器、焼成温 度等に応じて適宜選択する。焼成後、焼結の 程度に応じ、ハンマーミル、ピンミル等の衝 撃粉砕機、ローラーミル、パルペライザー、 解砕機等の摩砕粉砕機、ロールクラッシャー 、ジョークラッシャー等の圧縮粉砕機、ジェ ットミル等の気流粉砕機等を用いて乾式粉砕 を行なってもよい。

 前記層状チタン酸アルカリ金属塩と反応 せる酸性化合物として、塩酸、硫酸、硝酸 フッ酸等の無機酸を用いると反応が進み易 、塩酸、硫酸であれば工業的に有利に実施 きるので好ましい。酸性化合物の量や濃度 は特に制限は無いが、前記層状チタン酸ア カリ金属塩が溶解しないように、これに含 れるアルカリ金属の合計量に対し、1当量以 上とするのが好ましく、酸の濃度は2規定以 にするのが好ましい。反応温度に特に制限 無いが、前記層状チタン酸アルカリ金属塩 分解し難いように、1~10日かけて室温~70℃の 囲の温度下で行なうのが好ましい。反応生 物は、前記層状チタン酸アルカリ金属塩の 間及び二酸化チタン層中のアルカリ金属が 素と置換された層状チタン酸化合物である 考えられ、反応生成物に含まれるアルカリ 属を分析することで確認できる。

 得られた反応生成物は、固液分離、乾燥 た後、前記範囲の温度で加熱脱水する。加 脱水には、バンドヒーター、電気炉等を用 ることができ、加熱雰囲気は、大気中、不 性ガス中のいずれであってもよい。加熱脱 することで、反応生成物である層状チタン 化合物の層間に含まれる水素の一部または 部が、結晶水として脱離して、本発明のチ ン酸化合物が得られると考えられる。この め、所望の組成のチタン酸化合物を、例え 、組成式HxTiyOz(0≦x/y≦0.25、2.0≦z/y≦2.2)で されるチタン酸化合物を脱水量を制御する とで得ることができる。具体的には、示差 天秤により、300~600℃の温度範囲における加 脱水物の加熱減量を指標とし、加熱減量が0 ~2.0重量%の範囲となるように加熱脱水する。 に、加熱脱水を5時間以上行うと、脱水量の 制御が容易となり、前記組成式のものが得ら れ易くなるので好ましく、10時間以上行うの 更に好ましい。尚、従来、層状チタン酸化 物を塩基性化合物と反応させ、層間の水素 脱離させることで、層を剥離して薄片状酸 チタンを得る技術が知られているが、本発 のような加熱による水素の脱離によれば、 間を結着させて一個の粒子が形成される。

 二次粒子を得るには、例えば、(A)アルカ 金属化合物及びチタン化合物を造粒し加熱 成して前記層状チタン酸アルカリ金属塩の 粒物を得た後、この造粒物を酸性化合物と 応させ加熱する、(B)前記層状チタン酸アル リ金属塩を造粒した後、酸性化合物と反応 せ加熱脱水する、(C)前記チタン酸化合物を た後に造粒する等が挙げられる。造粒には 乾燥造粒、撹拌造粒、圧密造粒等が挙げら 、強固に結合した二次粒子を形成し易いの 乾燥造粒が好ましい。乾燥造粒には、それ れの化合物またはその出発物質を含むスラ ーを脱水後、乾燥して粉砕する、前記スラ ーの脱水後、成型して乾燥する、前記スラ ーを噴霧乾燥する等の方法が挙げられ、中 も二次粒子径や粒子形状の制御が容易な噴 乾燥が好ましい。

 噴霧乾燥に用いる噴霧乾燥機は、ディス 式、圧力ノズル式、二流体ノズル式、四流 ノズル式など、スラリーの性状や処理能力 応じて適宜選択することができる。二次粒 径の制御は、例えば上記のディスク式なら ィスクの回転数を、圧力ノズル式、二流体 ズル式、四流体ノズル式等ならば、噴霧圧 ノズル径を調整して、噴霧される液滴の大 さを制御することにより行える。乾燥温度 しては入り口温度を150~250℃の範囲、出口温 度を70~120℃の範囲とするのが好ましい。また 、噴霧乾燥後、得られた二次粒子を噴霧乾燥 温度よりも高い温度で更に加熱処理して空隙 量を調整してもよい。

 造粒を有機系バインダーの存在下で、例え 、前記の各化合物やその出発物質を含むス リーに有機系バインダーを添加し、これを 燥造粒するなどして行ない、得られた造粒 から有機系バインダーを除去すると、空隙 をより制御し易いので一層好ましい。有機 バインダーを除去するには、有機系バイン ーを含む二次粒子を、(イ)加熱処理する方 、(ロ)酸リーチングする方法等が挙げられ、 廃酸が生じない(イ)の方法が工業的に好まし 。有機系バインダーとしては、除去手段に じて除去可能なものを、公知の化合物から 宜選択できる。有機系バインダーの添加量 、(A)の方法であれば、チタン化合物に対し (B)であれば、前記層状チタン酸アルカリ金 塩に対し、(C)であれば、前記チタン酸化合 に対し、TiO 2 換算でそれぞれ0.1~20重量%の範囲であれば好 しく、0.5~10重量%の範囲であれば更に好まし 。

 有機系バインダーの除去に、前記(イ)の 法を適用する場合、本発明のチタン酸化合 が得られる250~450℃の温度範囲で分解除去で るバインダー種を選択する。用いる有機系 インダーとしては、例えば、(1)ビニル系化 物(ポリビニルアルコール、ポリビニルピロ リドン等)、(2)セルロース系化合物(ヒドロキ エチルセルロース、カルボキシメチルセル ース、メチルセルロース、エチルセルロー 等)、(3)タンパク質系化合物(ゼラチン、ア ビアゴム、カゼイン、カゼイン酸ソーダ、 ゼイン酸アンモニウム等)、(4)アクリル酸系 合物(ポリアクリル酸ソーダ、ポリアクリル 酸アンモニウム等)、(5)天然高分子化合物(デ プン、デキストリン、寒天、アルギン酸ソ ダ等)、(6)合成高分子化合物(ポリエチレン リコール等)等が挙げられ、これら選ばれる なくとも1種を用いることができる。中でも 、ソーダ等の無機成分を含まないものは、加 熱処理により分解、揮散し易いので更に好ま しい。

 更に、本発明の製造方法では、本発明の タン酸化合物の表面に、炭素、無機化合物 び有機化合物から選ばれる少なくとも1種を 被覆する工程が含まれていても良い。被覆工 程は、本発明の製造方法のどの段階でも設け ることができる。具体的には、(1)チタン化合 物とアルカリ金属化合物との混合物を焼成す るか又は造粒後に焼成する段階、(2)得られた 層状チタン酸アルカリ金属塩又はそれらの造 粒物を酸性化合物と反応させる段階、(3)得ら れた反応生成物又はそれらの造粒物を加熱脱 水する段階、(4)本発明のチタン酸化合物の一 次粒子又は二次粒子が得られた後の段階が挙 げられ、この中から選ばれる少なくとも一つ 段階で、被覆を行うことができる。

 炭素を被覆するには、例えば、前記のい れかの段階で、炭素含有物質を添加して加 することで行える。炭素含有物質の加熱は 液相中で行う(3)以外であれば、(1)、(2)及び( 4)のいずれの段階でも行える。炭素含有物質 加熱温度は150~1000℃の範囲が好ましく、加 雰囲気としては、大気中、非酸化性雰囲気 を適宜選択できるが、非酸化性雰囲気下で うのが好ましい。また、炭素含有物質の添 は、加熱を行う以前であれば、(1)~(4)いずれ 段階で行っても良い。(1)の段階で炭素物質 添加する場合は、チタン化合物とアルカリ 属に炭素含有物質を混合し、500~1000℃の範 の温度で加熱すると、炭素含有物質の加熱 層状チタン酸アルカリ金属塩の生成とが同 に行えるので好ましい。より好ましい焼成 度は、600~900℃の範囲である。得られた層状 タン酸アルカリ金属塩又はその造粒物には 炭素が被覆されているので、次の(2)以降の 階に供する。(2)の段階で添加するのであれ 、酸性化合物と反応させる際に、炭素含有 質を添加して以降の段階に供して、炭素含 物質を加熱する。また、(3)の段階で添加す のであれば、炭素含有物質と反応生成物又 それらの造粒物とを、所定の温度で加熱す と、炭素含有物質の加熱と本発明のチタン 化合物の生成が同時に行える。加熱温度は 250~450℃の範囲が好ましい。(4)の段階で添加 する場合は、得られた一次粒子又は二次粒子 に炭素含有物質を添加して、混合した後又は 混合しながら加熱することができる。

 炭素含有物質としては、カーボンブラッ 、アセチレンブラック、ケッチェンブラッ や、有機化合物の加熱分解生成物等が挙げ れる。有機化合物の加熱分解生成物を用い 場合、有機化合物を前記のように各段階で 加し加熱して、加熱分解生成物を生成させ がら炭素の被覆を行っても良く、予め加熱 て加熱分解生成物を生成させてから用いて 良い。有機化合物は、固体や液体のままで いることも、気化させて用いることもでき 。用いる有機化合物の種類は、適宜選択で るが、電極活物質に用いるのであれば、炭 以外の成分が残留し難い炭化水素化合物及 /又は酸素含有炭化水素化合物が好ましい。 炭化水素化合物としては、例えば、(イ)アル ン系化合物(メタン、エタン、プロパン等) (ロ)アルケン系化合物(エチレン、プロピレ 等)、(ハ)アルキン系化合物(アセチレン等)、 (ニ)シクロアルカン系化合物(シクロヘキサン 等)、(ホ)芳香族系化合物(ベンゼン、トルエ 、キシレン等)等が挙げられる。酸素含有炭 水素化合物としては、例えば、(イ)アルコ ル系化合物((a)1価アルコール(メタノール、 タノール、プロパノール等)、(b)2価アルコー ル(エチレングリコール等)、(c)3価アルコール (トリメチロールエタン、トリメチロールプ パン等)、(d)ポリアルコール(ポリビニルアル コール等)等)、(ロ)エーテル系化合物((a)エー ルモノマー(ジエチルエーテル、エチルメチ ルエーテル等)、(b)ポリエーテル(ポリエチレ グリコール、ポリエチレンオキシド、ポリ ロピレンエーテル等)等、(ハ)カルボン酸系 合物((a)オキシカルボン酸(クエン酸、リン 酸等)、(b)モノカルボン酸(酢酸、ギ酸等)、(c )ジカルボン酸(シュウ酸、マロン酸等)、(d)芳 香族カルボン酸(安息香酸等)等)、(ニ)アルデ ド系化合物(ホルムアルデヒド、アセトアル デヒド等)、(ホ)フェノール系化合物(フェノ ル、カテコール、ピロガロール等)、(ヘ)糖 (グルコース、スクロース、セルロース等)等 が挙げられる。炭素を粒子表面に被覆した二 次粒子を得る場合、有機化合物には、例えば 、ポリアルコール、ポリエーテル等バインダ ーとなる化合物を選択すると、空隙量を制御 し易く好ましい。

 無機化合物を被覆するのであれば、(1)の 階で行うと、無機化合物の成分が、得られ 一次粒子や二次粒子中にドープされ易いの 、(2)~(4)の段階で行うのが好ましい。具体的 には、(2)の段階では、層状チタン酸アルカリ 金属塩又はその造粒物を、(3)の段階では、反 応生成物又はそれらの造粒物を、(4)の段階で は、一次粒子又は二次粒子を、それぞれ水性 媒液等に分散させてスラリー化し、スラリー 中に無機化合物またはその出発物質を添加し て中和した後、固液分離し、必要に応じて乾 燥する。(2)や(3)の段階で被覆を行った後は、 その後の工程に順次供する。有機化合物を被 覆するのであれば、(1)~(3)の段階で行うと、 段の工程で行う焼成や加熱の際に、有機化 物が分解し易いので、(4)の段階で行うのが ましく、例えば、有機化合物と得られた一 粒子又は二次粒子とを、撹拌機、粉砕機等 用いて混合することで行える。特に、カッ リング剤を被覆するのであれば、前記の一 粒子又は二次粒子のスラリー中でカップリ グ剤を添加して加水分解した後、固液分離 るのが好ましい。

 前記チタン酸化合物が得られた後、再ス リー化し、不純物を洗浄し、分級、固液分 、乾燥してもよい。あるいは、粒子同士の 集の程度に応じて、公知の機器を用いて本 明の効果を損ねない範囲で解砕してもよい

 また、本発明は電極活物質であって、前 チタン酸化合物を含むことを特徴とする。 発明の電極活物質を用いると、サイクル特 が優れたリチウム電池が得られ、また、こ 電池は電池容量も一層大きいものともなる その要因は、未だ明確ではないが、本発明 チタン酸化合物の回折角44°近傍に2本のピ クが明確に認められないのは、これらのピ クに起因する原子配列の隙間が大きいか、 れていると推測され、このような構造がブ ンズ型二酸化チタンよりリチウムイオンの 散により有利になるものと考えられる。リ ウムイオンの拡散が容易になれば、電池容 が大きくなるばかりでなく、チタン酸化合 の構造に、リチウムイオンの挿入脱離によ 膨張、収縮の繰り返しによる負荷が掛かり くなり、リチウム電池の充放電による電池 量の低下が生じ難くなると考えられる。本 明の電極活物質は、レート特性にも優れて るので、キャパシタ用の材料として用いる とができる。電極活物質として用いる場合 組成式HxTiyOz(0≦x/y≦0.25、2.0≦z/y≦2.2)で表さ れるものが好ましい。

 電極活物質として二次粒子を用いると、 にサイクル特性が優れたリチウム電池が得 れるのでより一層好ましい。おそらく、二 粒子内に前記範囲の空隙を有しているため (1)空隙に電解液が侵入することで、リチウ イオンの挿入脱離が容易になる、(2)空隙が 張と収縮による負荷を緩衝する、等の理由 より、充放電を繰り返しても、電極活物質 構造に負荷を掛け難くなるため、サイクル 性に優れた電池が提供されるものと推測さ る。電極活物質として用いる二次粒子の形 は、電池特性上できるだけ異方性の小さい 状が有利であり、等方性形状が好ましく、 状がより好ましい。

 更に、本発明は、蓄電デバイスであって、 記電極活物質を用いることを特徴とする。 電デバイスとしては、具体的には、リチウ 電池、キャパシタ等が挙げられ、これらは 極、対極及びセパレーターと電解液とから り、電極は、前記電極活物質にカーボンブ ックなどの導電材とフッ素樹脂などのバイ ダを加え、適宜成形または塗布して得られ 。また、電池特性が近似したものであれば 必要に応じて他の電極活物質、例えば、ス ネル型チタン酸リチウム(Li 4 Ti 5 O 12 )などと併用してもよい。リチウム電池の場 、前記電極活物質を正極に用い、対極とし 金属リチウム、リチウム合金など、または ラファイト、コークスなどの炭素系材料な を用いることができる。あるいは、前記電 活物質を負極として用い、対極にリチウム 有酸化マンガン、スピネル型リチウム・異 金属複合酸化物(LiM 2 O 4 :M=Co、Ni、Mn、Mg、Alから選ばれる少なくとも1 )、層状岩塩型リチウム・異種金属複合酸化 物(LiMO 2 :M=Co、Ni、Mn、Mg、Alから選ばれる少なくとも1 )、オリビン型リチウム・リン・異種金属複 合酸化物(LiMPO 4 :M=Fe、Co、Ni、Mnから選ばれる少なくとも1種) 五酸化バナジウムなどを用いることもでき 。キャパシタの場合は、前記電極活物質を 極に、活性炭を正極に用いた非対称型キャ シタとすることができる。セパレーターに 、いずれにも、多孔性ポリエチレンフィル などが用いられ、電解液には、プロピレン ーボネート、エチレンカーボネート、1,2-ジ トキシエタンなどの溶媒にLiPF 6 、LiClO 4 、LiCF 3 SO 3 、LiN(CF 3 SO 2 ) 2 、LiBF 4 などのリチウム塩を溶解させたものなど常用 の材料を用いることができる。

 以下に本発明の実施例を示すが、これら 本発明を限定するものではない。

実施例1
 炭酸カリウム、炭酸リチウム、及び、チタ 酸化合物として、四塩化チタンを中和加水 解して得られたルチル型二酸化チタンを用 、これらをK/Li/Tiのモル比にして3/1/6.5の割 で混合し、十分に摩砕した。摩砕物を白金 つぼに移し、電気炉を用いて大気中で800℃ 温度で5時間焼成し、K 0.8 Li 0.27 Ti 1.73 O 4 の組成を有する層状チタン酸リチウム・カリ ウムを得た。得られた層状チタン酸リチウム ・カリウム1gに対して、1規定の塩酸100cm 3 を、1日間室温で攪拌しながら反応させた。 応生成物を分析したところ、リチウム、カ ウムはほとんど含まれず、アルカリ金属と 素とがほぼ置換された層状チタン酸化合物 あることが確認された。次いで、濾過、水 、乾燥した後、大気中で400℃の温度で20時間 加熱脱水し、本発明のチタン酸化合物を得た (試料A)。尚、示差熱天秤を用いて、試料Aの30 0~600℃の温度範囲で測定したところ、0.12重量 %程度の加熱減量が認められた。この加熱減 は、試料Aに含まれる残存する僅かの結晶水 由来するものであると推測すると、試料はH 2 Ti 189 O 379 の組成であると考えられる。

実施例2
 実施例1において、反応生成物の加熱脱水温 度を300℃とした以外は実施例1と同様にして 発明のチタン酸化合物を得た(試料B)。試料B 300~600℃の加熱減量を測定したところ1.72重 %となり、実施例1同様に推測するとH 2 Ti 13 O 27 の組成であると考えられる。

比較例1
 市販のルチル型高純度二酸化チタン(PT-301: 原産業製)20.0gと炭酸ナトリウム8.85gとを混合 した後、電気炉を用いて大気中で800℃の温度 で20時間加熱焼成した後、再度、同様の条件 加熱焼成し、二ナトリウム七酸化三チタン 得た。得られた二ナトリウム七酸化三チタ を、1モルの濃度の塩酸水溶液に10g/リット の濃度になるように添加し、4日間反応させ 二水素七酸化三チタンを得た。なお、反応 は、1日毎に塩酸水溶液を取り替えた。得ら れた二水素七酸化三チタンを、濾過、洗浄し 、固液分離し、60℃の温度で12時間大気中で 燥した後、電気炉を用い大気中で350℃の温 で20時間加熱脱水し、比較対象のチタン酸化 合物を得た(試料C)。試料Cの300~600℃の加熱減 を測定したところ0.50重量%となり、実施例1 様に推測するとH 2 Ti 45 O 91 の組成のチタン酸化合物であると考えられる 。

評価1:X線回折の測定
 実施例1、2び比較例1で得られたチタン酸化 物(試料A~C)を粉末X線回折(X線:Cu-Kα)を測定し た。得られたX線回折チャートを、図1~3に示 。本発明の試料Aは、既知のブロンズ型二酸 チタンのパターンとほぼ一致しているが、 折角44°近傍で2本のピークが認められるも の、非常に近接していることが判る。低角 を前記のブロンズ型のパターンの(003)面に、 高角側を(-601)面に相当すると仮定した場合、 その面間隔の差(d (003) -d (-601) )は0.0040nm以下となっている。試料Bも、ブロ ズ型とほぼ一致したパターンを示すが、44° 傍のピークは実質的に1本しか認められない 。

評価2:充放電特性の評価
 実施例1、2及び比較例1で得られたチタン酸 合物(試料A~C)を電極活物質とし、これを用 てリチウム二次電池を調製し、その充放電 性を評価した。電池の形態や測定条件につ て説明する。

 上記各試料と、導電剤としてのアセチレ ブラック粉末、及び結着剤としてのポリ四 ッ化エチレン樹脂を重量比で5:4:1で混合し 乳鉢で練り合わせ、直径10mmの円形に成型し ペレット状とした。ペレットの重量は10mgで あった。このペレットに直径10mmに切り出し アルミニウム製のメッシュを重ね合わせ、9M Paでプレスして作用極とした。

 この作用極を100℃の温度で4時間真空乾燥し た後、露点-70℃以下のグローブボックス中で 、密閉可能なコイン型評価用セルに正極とし て組み込んだ。評価用セルには材質がステン レス製(SUS316)で外径20mm、高さ3.2mmのものを用 た。負極には厚み0.5mmの金属リチウムを直 12mmの円形に成形したものを用いた。非水電 液として1モル/リットルとなる濃度でLiPF 6 を溶解したエチレンカーボネートとジメチル カーボネートの混合溶液(体積比で1:2に混合) 用いた。

 作用極は評価用セルの下部缶に置き、そ 上にセパレーターとして多孔性ポリプロピ ンフィルムを置き、その上から非水電解液 滴下した。さらにその上に負極と、厚み調 用の0.5mm厚スペーサー及びスプリング(いず もSUS316製)をのせ、プロピレン製ガスケット のついた上部缶を被せて外周縁部をかしめて 密封した。

 充放電容量の測定は、電圧範囲を1.0~2.5V 、充放電電流を0.2mAに設定して、定電流で行 った。2サイクル目と30サイクル目の充放容量 を測定し、(30サイクル目の放電容量/2サイク 目の放電容量)×100をサイクル特性とした。 の値が大きい程、サイクル特性が優れてい 。結果を表2に示す。本発明の電極活物質は 、サイクル特性に優れ、充放電容量が大きい ことが判る。

評価3:レート特性の評価
 実施例1、2で得られたチタン酸化合物(試料A 、B)、及び、比較対象として市販のアナター 型二酸化チタン(ST-41:石原産業製、比較例2( 料D)とする)を電極活物質として用いた。こ らの電極活物質、導電剤としてのアセチレ ブラック粉末、及び結着剤としてのポリフ 化ビニリデン樹脂を重量比で10:1:1で混合し ペーストを調製した。このペーストをアル 箔上に塗布し、120℃の温度で15分乾燥した 、直径12mmの円形に打ち抜き、14.7MPaでプレス して作用極とした。この作用極を120℃の温度 で4時間真空乾燥した後は、評価2と同様にし リチウム二次電池を作製し、種々の電流量 放電容量を測定して容量維持率(%)を算出し 。測定は、電圧範囲を試料A、Bは1.0~2.5Vに、 試料Dは1.5~2.5Vに、充電電流は40mA/gに、放電電 流は0.25C~3Cの範囲に設定して行った。容量維 率は、0.25Cでの放電容量の測定値をX 0.25 、0.5C~3Cの範囲での測定値をX n とすると、(X n /X 0.25 )×100の式で算出した。尚、ここで1Cとは、1時 間で満充電できる電流値を言い、本評価では 、160mA/gが1Cに相当する。結果を表3に示す。 発明の電極活物質は、電流量を大きくして 容量維持率が高く、レート特性に優れてい ことが判る。

 本発明のチタン酸化合物は、電極活物質 光触媒、触媒、紫外線吸収材等として有用 ある。本発明の電極活物質は、サイクル特 が優れたリチウム電池に有用である。

試料A(実施例1)のX線回折チャートであ 。 試料B(実施例2)のX線回折チャートであ 。 試料C(比較例1)のX線回折チャートであ 。