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JP6685228B2 - 硬質カーボン電極のためのドープされたニッケル酸塩化合物 - Google Patents

硬質カーボン電極のためのドープされたニッケル酸塩化合物 Download PDF

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Description

本発明の分野
本発明は、ある新規のドープされたニッケル酸塩（nickelate）含有化合物に、ドープされたニッケル酸塩含有化合物の作製のための新規なプロセスに、ドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む電極に、ドープされたニッケル酸塩含有化合物の例えばエネルギー貯蔵デバイスなどにおける使用に、ドープされたニッケル酸塩含有化合物を含むデバイスを使用する電荷を貯蔵するためのプロセスに、およびドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む、例えば再充電可能なバッテリなどのエネルギー貯蔵デバイスに関する。
本発明の背景
ナトリウムイオンバッテリは、多くの意味で、今日一般的に使用されるリチウムイオンバッテリと類似している；それらは、共に、アノード（陰極）、カソード（陽極）および電解質材料を含む、再使用可能な二次電池であり、両方ともエネルギーを貯蔵することができ、それらは、共に、似た反応メカニズムを介して充放電する。ナトリウムイオン（またはリチウムイオンバッテリ）が充電する場合には、Ｎａ＋（またはＬｉ＋）イオンは、前記カソードからデインターカレートして（de−intercalate）、アノード中に挿入される。一方で、電荷のバランスをとる電子は、カソードから充電部を含む前記外部回路を通り、バッテリのアノード中へ入る。放電の間、同じプロセスが生じるが、反対方向である。
リチウムイオンバッテリ技術は、近年多くの関心を享受し、今日使用されるほとんどの電子デバイスについて好ましいポータブルバッテリを提供する；しかしながら、リチウムは安価に調達される金属ではなく、大規模用途での使用には、高価過ぎると考えられている。それとは対照的に、ナトリウムイオンバッテリ技術は、まだ比較的その初期段階にあるが、有利であるとみられている；ナトリウムは、リチウムよりずっと豊富で、研究者によっては、これは、例えば、配電網のエネルギー貯蔵などの、特に大規模用途のために、将来に向かって、エネルギーを貯蔵するためのより安価でより耐久性のある手段を提供するであろうと予測している。それにもかかわらず、ナトリウムイオンバッテリが製品化される前に、多くの研究がなおなされる必要がある。
ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２は、既知のＮａイオン材料であり、ここで、ニッケルは、Ｎｉ２＋として存在する一方で、マンガンは、Ｍｎ４＋として存在する。前記材料は、構造内で、離散サイトにある前記ＮａおよびＮｉ原子により規則化される。ニッケルイオン（Ｎｉ２＋）は、可逆的比容量（reversible specific capacity）に寄与する酸化還元元素であり、マンガンイオン（Ｍｎ４＋）は、構造安定化剤としての役割を担う。化合物ＮａＮｉ０．５Ｔｉ０．５Ｏ２は、ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２と、Ｎｉ２＋イオンが、活性酸化還元中心を提供するという点で類似し、Ｔｉ４＋イオンが、構造安定化のために存在する。Ｌｉイオン用途のための、Ｎａ→Ｌｉイオン交換によりＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２およびＬｉＮｉ０．５Ｔｉ０．５Ｏ２を作製するための前駆体としての、ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２（および、より少ないＮａＮｉ０．５Ｔｉ０．５Ｏ２）の調製を記載した、多くの文献がある。これらのＬｉ材料を作製するための直接的合成方法により、例えば、リチウムおよびニッケル原子が構造サイトを共有する結果として、所望されない不規則な材料が得られる。しかしながら、Komaba et al Adv. Funct. Mater. 2011、21、3859により報告された、最近の電気化学研究には、プロピレンカーボネート電解質溶液中でのハードカーボンおよび層状化ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２電極のナトリウム挿入性能が記載されている。得られた結果は、ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２は、ある程度の可逆的充放電能を示すが、前記材料の容量は、わずか４０サイクル後に、２５％以上に弱くなることを示す。
典型的には、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元プロセスに基づいたニッケル酸ナトリウム化合物およびニッケル酸リチウム化合物の最大電荷容量を予測することが可能であるが、Ｚｈｏｎｇｈｕａ Ｌｕ ａｎｄ Ｊ． Ｒ． Ｄａｈｎ、Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１４９ （７） Ａ８１５−Ａ８２２ （２００２）が説明するように、例えばＬｉ［ＮｉｘＬｉ（１／３−２ｘ／３）Ｍｎ（２／３−ｘ／３）］Ｏ２（式中、ｘ＝１／６，１／４，１／３および５／１２）などのリチウム含有化合物を使用して作製されたセルの電気化学的挙動は、この従来の常識に必ずしも従わない。これらの研究者は、リチウムニッケル酸塩材料を含有するセルを４．４５Ｖまでの電圧で充電する場合に、Ｍｎ酸化状態が４＋に達するまで、リチウムは除去され；したがって期待された電荷容量の２×を与えることを報告する。しかしながら、リチウムセル（ｘ＜１／２）がより高い電圧にまで、例えば４．５〜４．７Ｖに充電されるとき、これらはおおよそ１〜２×に対応する長いプラトー（plateau）を示し、およびこのプラトーに続き、これらの材料は、２２５ｍＡｈ／ｇを超える容量において可逆的にサイクルする。簡単に言えば、式Ｌｉ［ＮｉｘＬｉ（１／３−２ｘ／３）Ｍｎ（２／３−ｘ／３）］Ｏ２（式中、ニッケル量は０．５未満である）のリチウム含有化合物は、従来の理論計算から期待されたであろうものより顕著に高い電荷容量を示す。対照的に、ＬｕおよびＤａｈｎは、ｘ＝０．５の場合（すなわち、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２の場合）、リチウムの全てを除去するため十分なニッケルが存在するので、電荷容量における同様の増加は観察されないと言及する。期待された電荷容量現象よりも高い現象を説明するのに、ＬｕおよびＤａｈｎは、これらがより高い電圧に充電される場合、それらのリチウム材料は非可逆性の酸素損失を被り、次いでこれら酸素欠損材料は可逆的にリチウムと反応する。これにもかかわらず、この増加した電荷容量は潜在的に興味深い発見であるけれども、かかる化合物の商業的利用性は、上に検討したようにリチウムの高コストにより妨げられる。
ＵＳ２００７／０２１８３６１は、ナトリウム含有遷移金属酸化物ＮａａＬｉｂＭｘＯ２±αを含む正極活物質を含む、ナトリウムイオン二次電池を教示する。前記Ｍは、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルの少なくとも２個を含む。かかる材料において、ナトリウム量が多すぎること（さもなければ、過剰の酸化ナトリウムまたは水素化ナトリウムが生成され、これにより正極は高水分吸収性（highly moisture absorptive）となる）、または少なすぎることのいずれでもないことは、明らかに極めて重要である。後者の場合、インターカレート（intercalated）およびデインターカレートされ得るナトリウムイオンの量は、減少すると言われており、そしてこれは、入手不可能な高い放電容量をもたらす。この先行技術は、ナトリウムの最適量（すなわちａの値）は、好ましくは０．６〜１．１、さらに好ましくは０．９〜１．１、およびより好ましくは１であると記載する。一方、酸素の量は、性能に対してきわめて決定的であるとも記載される。多すぎる酸素が、遷移金属および／またはアルカリ金属サイトを占めると言われており、およびおそらくこれが、充放電の間のナトリウムイオンの再インターカレーション(re−intercalation)を妨げるであろう。少なすぎる酸素は、多くの欠陥を有する結晶構造を有する材料を生成すると言われる。αについての最適範囲は、０〜０．１である。ＵＳ２００７／０２１８３６１に記載された具体例の別の特徴は、これらは全て酸化状態＋３のマンガンを含有することである。これは、マンガン酸化プロセス（Ｍｎ＋３→Ｍｎ４＋）によりナトリウム抽出を可能にする。
本発明は、従来の理論計算から予測されるよりかなり高い比充電容量を達成することができる、新規なドープされたニッケル酸塩含有化合物を提供することを目的とする。本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を使用して、充電容量の顕著な損失のない、複数回再充電可能な電極を提供してもよい。特に、本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、例えばナトリウムイオンセルまたはナトリウム金属セルにおける使用のためのバッテリなどのための、エネルギー貯蔵デバイスを提供するであろう。本発明はまた、１種または２種以上の本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む電極を使用する、電荷を貯蔵するためのプロセスを提供する。さらに、本発明は、実施するのにコスト効率が高く極めて簡単な、ドープされたニッケル酸塩含有化合物を作製するためのプロセスを提供する。
本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、一般式：
ＡａＭ１ ｖＭ２ ｗＭ３ ｘＭ４ ｙＭ５ ｚＯ２−ｃ
（式中、
Ａは、ナトリウムまたはナトリウムが主要構成成分である混合アルカリ金属のいずれかを含み；
Ｍ１は、酸化状態０より大きく４＋以下のニッケルであり、
Ｍ２は、酸化状態０より大きく４＋以下の金属を含み、
Ｍ３は、酸化状態２＋の金属を含み、
Ｍ４は、酸化状態０より大きく４＋以下の金属を含み、
Ｍ５は、酸化状態３＋の金属を含み、
式中、
０≦ａ＜１、好ましくは０≦ａ＜０．６、およびさらに好ましくは０．２≦ａ＜１または０．２≦ａ＜０．６、
ｖ＞０、好ましくは０＜ｖ＜０．５、
ｗおよびｙの少なくとも一方は、＞０であり、
ｘ≧０、好ましくはｘ＞０、
ｚ≧０、
式中、ｃは、０＜ｃ≦０．１および０．０５≦ｃ≦０．１から選択される条件により決定され、
式中、（ａ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚおよびｃ）は、電気的中性を維持するように選択される）
を含む。
本発明の好ましいドープされたニッケル酸塩含有化合物は、一般式：
ＡａＭ１ ｖＭ２ ｗＭ３ ｘＭ４ ｙＭ５ ｚＯ２−ｃ
（式中、
Ａは、ナトリウムまたはナトリウムが主要構成成分である混合アルカリ金属のいずれかを含み；
Ｍ１は、酸化状態４＋未満のニッケルであり、
Ｍ２は、酸化状態０より大きく４＋以下の金属を含み、
Ｍ３は、酸化状態２＋の金属を含み、
Ｍ４は、酸化状態０より大きく４＋以下の金属を含み、
Ｍ５は、酸化状態３＋の金属を含み、
式中、
０≦ａ＜１、好ましくは０≦ａ＜０．６、およびさらに好ましくは０≦ａ≦０．５、
ｖ＞０、好ましくは０＜ｖ＜０．５、
ｗおよびｙの少なくとも一方は、＞０であり、
ｘ≧０、好ましくはｘ＞０、
ｚ≧０、
式中、ｃは、０＜ｃ≦０．１および０．０５≦ｃ≦０．１から選択される条件により決定され、
式中、（ａ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚおよびｃ）は、電気的中性を維持するように選択される）
を含む。
本発明の特に好ましいドープされたニッケル酸塩含有化合物は、式：
ＡａＭ１ ｖＭ２ ｗＭ３ ｘＭ４ ｙＭ５ ｚＯ２−ｃ
（式中、
Ａは、ナトリウムまたはナトリウムが主要構成成分である混合アルカリ金属のいずれかを含み；
Ｍ１は、酸化状態４＋のニッケルであり、
Ｍ２は、酸化状態４＋の金属を含み、
Ｍ３は、酸化状態２＋の金属を含み、
Ｍ４は、酸化状態４＋の金属を含み、
Ｍ５は、酸化状態３＋の金属を含み、
式中、
０≦ａ＜１、好ましくは０≦ａ＜０．６、さらに好ましくは０≦ａ≦０．５、
ｖ＞０、好ましくは０＜ｖ＜０．５、
ｗおよびｙの少なくとも一方は、＞０であり、
ｘ≧０、好ましくはｘ＞０、
ｚ≧０、
式中、ｃは、０＜ｃ≦０．１および０．０５≦ｃ≦０．１から選択される条件により決定され、
式中、（ａ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚおよびｃ）は、電気的中性を維持するように選択される）
を含む。
金属Ｍ２およびＭ４は、酸化状態が０より大きく４＋以下である、同一または異なる金属であってもよい。さらに、Ｍ２およびＭ４は、互いに交換可能（interchargeable）である。Ｍ２＝Ｍ４である場合には、本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、以下：
ＡａＭ１ ＶＭ２ ＷＭ３ ＸＭ４ ＹＭ５ ＺＯ２−ｃ、
または
ＡａＭ１ ＶＭ２ Ｗ＋ＹＭ３ ＸＭ５ ＺＯ２−ｃ、
または
ＡａＭ１ ＶＭ３ ＸＭ４ Ｙ＋ＷＭ５ ＺＯ２−ｃ、
のいずれかとして記載されてもよく、これらの形式の式の全ては等しいとみなされなければならない。
特に好ましい本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、式：
ＡａＭ１ ｖＭ２ ｗＭ３ ｘＭ４ ｙＭ５ ｚＯ２−ｃ
（式中、
０≦ａ＜１；好ましくは０≦ａ＜０．６、さらに好ましくは０≦ａ≦０．５、有利には０≦ａ≦０．４、大変好ましくは０．１≦ａ＜０．６、および都合が良いのは０．２≦ａ＜１；
ｖ＞０、好ましくは０＜ｖ＜０．５；
ｗおよびｙの少なくとも一方は、０より大きく０．５以下の範囲であり（すなわち、０＜ｗおよび／またはｙ≦０．５）；
０≦ｘ＜０．５；好ましくは０＜ｘ＜０．５；
ｚ≧０；および
式中、ｃは、０＜ｃ≦０．１および０．０５≦ｃ≦０．１から選択される条件により決定され、
式中、ａ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚおよびｃは、電気的中性を維持するように選択される）
を含む。
本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、好ましくは、選択されたアルカリ金属として単独のナトリウムを含む。
また、さらに好ましい本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物において、Ｍ２は、スズ、マンガン、チタンおよびジルコニウムの１種または２種以上から選択される金属を含み；Ｍ３は、マグネシウム、カルシウム、銅、亜鉛およびコバルトの１種または２種以上から選択される金属を含み；Ｍ４は、スズ、マンガン、チタンおよびジルコニウムの１種または２種以上から選択される金属を含み；Ｍ５は、アルミニウム、鉄、コバルト、モリブデン、クロム、バナジウム、スカンジウムおよびイットリウムの１種または２種以上から選択される金属を含む。
かなり好ましい本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物において、特にＭ２＝Ｍｎおよび／またはＴｉである場合には、（ｖ＋ｗ）＜０．８である。
有利なドープされたニッケル酸塩含有化合物には：
Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２−ｃ
Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２−ｃ
Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２−ｃ
Ｎａ０．２Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２−ｃ
Ｎａ０．２Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２−ｃ
Ｎａ０．２Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２−ｃ
Ｎｉ０．３２５Ｍｎ０．３２５Ｍｇ０．１６２５Ｔｉ０．１８７５Ｏ２−ｃ
Ｎａ０．２Ｎｉ０．３２５Ｍｎ０．３２５Ｍｇ０．１６２５Ｔｉ０．１８７５Ｏ２−ｃ
Ｎａ０．２Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２−ｃ
および
Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２−ｃ、
が含まれる。
最も好ましいドープされたニッケル酸塩含有化合物は：
Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍ３ ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２−ｃ、
Ｎａ０．２Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍ３ ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２−ｃ、
Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２−ｃ
および
Ｎａ０．２Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２−ｃ、
である。
本発明の上記化合物全てにおいて、ｃは、０＜ｃ≦０．１の範囲にある。
本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を、例えば化学プロセスなどのあらゆる都合の良い方法を使用して作製してもよい。例えば、適切な出発材料を一緒に混合して、溶媒の存在または非存在下で加熱してもよい（後者は固体状態プロセスである）。各出発材料の選択および量は、好ましくは、要求されるドープされたニッケル酸塩含有化合物中に存在する元素を提供するように選択され、好ましくは、要求されるドープされたニッケル酸塩含有化合物は、実質的に副反応生成物および未反応出発材料の非存在下で生成する。
代替的に、本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋の酸化還元対により決定されるとおりのそれらの従来の理論比容量を超える、１種または２種以上の（以下に記載される）式１の化合物を含む電気化学セルを充電するステップを含むプロセスを使用して生成されてもよく、ここで、式１は、以下：
Ａ’ａ’Ｍ１’ ｖ’Ｍ２’ ｗ’Ｍ３’ ｘ’Ｍ４’ ｙ’Ｍ５’ ｚ’Ｏ２ （式１）
（式中、
Ａ’は、ナトリウムまたはナトリウムが主要構成成分である混合アルカリ金属のいずれかを含み；
Ｍ１’は、酸化状態２＋のニッケルであり、
Ｍ２’は、酸化状態４＋の金属を含み、
Ｍ３’は、酸化状態２＋の金属を含み、
Ｍ４’は、酸化状態４＋の金属を含み、
Ｍ５’は、酸化状態３＋の金属を含み、
０＜ａ’＜１；好ましくは０．５＜ａ’＜１；都合が良いのは０．８＜ａ’＜１、有利には０．８３３≦ａ’＜１および最も好ましくは０．８５≦ａ’＜１；
０＜ｖ’＜０．５；
ｗ’およびｙ’の少なくとも一方は、＞０であり；好ましくは、０＜（ｗ’および／またはｙ’）≦０．５；
０≦ｘ’≦０．５；
ｚ’≧０、
式中、ａ’、ｖ’、ｗ’、ｘ’、ｙ’およびｚ’は、電気的中性を維持するように全て選択される）
として定義される。
式１の化合物は、好ましくは、選択されたアルカリ金属として単独のナトリウムを含む。
また、さらに好ましい式１の化合物において、Ｍ２’は、スズ、マンガン、チタンおよびジルコニウムの１種または２種以上から選択される金属を含み；Ｍ３’は、マグネシウム、カルシウム、銅、亜鉛およびコバルトの１種または２種以上から選択される金属を含み；Ｍ４’は、スズ、マンガン、チタンおよびジルコニウムの１種または２種以上から選択される金属を含み；Ｍ５’は、アルミニウム、鉄、コバルト、モリブデン、クロム、バナジウム、スカンジウムおよびイットリウムの１種または２種以上から選択される金属を含む。
式１の化合物中のＡ’、Ｍ１’，Ｍ２’、Ｍ３’，Ｍ４’、Ｍ５’、ａ’、ｖ’、ｗ’、ｘ’、ｙ’およびｚ’は、本発明のプロセスにより製造された、ドープされたニッケル酸塩化合物中のＡ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３，Ｍ４、Ｍ５、ａ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙおよびｚとそれぞれ一致する。
式１の特に好ましい化合物には：
Ｎａ０．９７５Ｎｉ０．３２５Ｍｎ０．３２５Ｍｇ０．１６２５Ｔｉ０．１８７５Ｏ２
Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２
Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２
Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２
Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２
Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２
Ｎａ０．８Ｎｉ０．２６７Ｍｎ０．２６７Ｍｇ０．１３３Ｔｉ０．３３３Ｏ２
Ｎａ０．７５Ｎｉ０．２５Ｍｎ０．２５Ｍｇ０．１２５Ｔｉ０．３７５Ｏ２
Ｎａ０．７Ｎｉ０．２３３Ｍｎ０．２３３Ｍｇ０．１１７Ｔｉ０．４１７Ｏ２
Ｎａ０．６６７Ｎｉ０．２２２Ｍｎ０．２２２２Ｍｇ０．１１１Ｔｉ０．４４４Ｏ２
が含まれる。
例えば、式１の上記化合物などにおける好ましい態様において、全てのＮｉは酸化状態２＋であり、全てのＭｎは酸化状態４＋である。
Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋の酸化還元対により決定されるとおりの従来の理論比容量を超える、１種または２種以上の式１の化合物を含む電気化学セルを充電するステップは、典型的には、１種または２種以上の式１の化合物からの酸素の損失を伴い、よって、得られる生成物、すなわち、それにより製造される、ドープされたニッケル酸塩含有化合物を、式１の化合物に対して「酸素欠損（oxygen deficient）」であると説明してもよい。式１の化合物はまた、本願において、「活性カソード化合物」と称される。
よって、本発明の所望されるプロセスは、それらを過充電することにより、すなわち、Ｎｉ２＋のＮｉ４＋への酸化に基づく従来の理論容量より大きな比容量までそれらを充電することにより、式１の化合物から酸素の少なくとも部分的損失を生じさせるステップを含む。典型的には、これは、１種または２種以上の式１の化合物を含む電気化学セル（例えば、Ｎａイオン電気化学セルなど）を、少なくとも４．０Ｖまで充電することを意味するが、実際に必要な電圧は、各材料についてわずかに変化するであろう。好ましくは、過充電ステップは、式１の化合物で行われる第１の充電である。しかしながら、過充電ステップ、およびその結果の少なくとも部分的な酸素損失を、要求される酸素欠損の、本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を達成するために、何回かの充電ステップにわたって実現し得ることも可能である。本発明のさらなる態様において、式１の化合物は、構造Ａ’ａ’Ｍ１’ ｖ’Ｍ２’ ｗ’Ｍ３’ ｘ’Ｍ４’ ｙ’Ｍ５’ ｚ’Ｏ２±δを有してもよく、式中、Ａ’、ａ’、Ｍ１’、ｖ’、Ｍ２’、ｗ’、Ｍ３’、ｘ’ Ｍ４’、ｙ’、Ｍ５’およびｚ’は上で定義されたとおりであり、Ｏ２±δは、この式１の化合物が、本発明のプロセスにおいて過充電される前に酸素リッチまたは酸素欠損のいずれかであり、酸素欠損またはなおさらなる酸素欠損となる（それぞれ、Ｏ２＋δまたはＯ２−δから出発することに応じる）ことを意味する。Ａ’ａ’Ｍ１’ ｖ’Ｍ２’ ｗ’Ｍ３’ ｘ’Ｍ４’ ｙ’Ｍ５’ ｚ’Ｏ２±δ中の酸素の量は、本発明の化合物、すなわち、ＡａＭ１ ｖＭ２ ｗＭ３ ｘＭ４ ｙＭ５ ｚＯ２−ｃ中に存在する酸素の量より高いであろう。
従来技術から予測されるであろうものに沿って、式１のドープされたニッケル酸ナトリウム化合物をそれらの従来の理論容量まで充電することにより、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化、および格子からのナトリウムイオンの少なくとも一部分の除去が生じ；このプロセスは可逆的であり、式１の化合物は放電の際に再度得られるであろう。対照的に、それらの従来の理論容量を超えてかかる化合物を充電すること、すなわち、それらを「過充電すること」を含む本発明のプロセスは、不可逆的プロセスであり、これは、本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む、ドープされたニッケル酸塩含有化合物を生成する。
いかなる特定の理論に縛られることも望まないが、本出願人は現在、式１の化合物が本発明のプロセスの間に「過充電」される際に観察される、増強された充電容量（または異常充電容量）は、過充電が起こるにつれて生じる、いくつかの変化によるものであると理解している。大まかにいえば、これは、ｉ）単なるＮｉ２＋のＮｉ４＋への酸化を使用する従来の（または「正常な」）充電プロセスを、ｉｉ）典型的にはＯ２−ｃ含有活物質をもたらすための酸素の不可逆的部分的損失を伴う、例えば（従来の理論から）予測されるものよりも大きな数の、例えばナトリウムイオンなどのアルカリ金属イオンの除去などの、より高い電圧においてのみ生じる他の構造的変化と一緒に組み合わせたものである。
したがって、本発明は、（上で説明したとおりに）予測されるであろう、増加された比充電容量を有する、ドープされたニッケル酸塩含有化合物を製造するプロセスを提供し、前記方法は、ｉ）少なくとも１種の式１の化合物を含む電気化学セル（例えば、Ｎａイオン電気化学セルなど）を形成するステップ、およびｉｉ）Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋の酸化に基づく、従来の理論容量を超える、得られた電気化学セルを充電し、それにより、従来の理論充電容量に基づいて予測されるものより高い比充電容量を有する、少なくとも１種の本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を製造するステップを含む。
上記のとおり、過充電プロセスは、典型的には酸素の少なくとも部分的損失を伴い、したがって、本発明はまた、本発明の酸素欠損のドープされたニッケル酸塩含有化合物を提供するためのプロセスを提供し、前記プロセスは：
ｉ）少なくとも１種の式１の化合物を含む、例えば、Ｎａイオン電気化学セルなどの電気化学セルを形成すること；および
ｉｉ）Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋に基づく、理論容量を超える、得られた電気化学セル（Ｎａイオン電気化学セル）を充電して、式１の化合物からの酸素の損失を生じさせ、それにより、酸素欠損のドープされたニッケル酸塩含有化合物を生成すること、
を含む。
過充電プロセスの間に式１の化合物から酸素が損失するメカニズムは、式１の化合物が層構造を含む場合に最も効率的に作用する。層状ＡｘＭＯ２材料は、いくつかの極めて類似した構造タイプを採用することで知られ、それらのうち最も周知のものは、Ｄｅｌｍａｓ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓｉｃａ Ｂ＋Ｃ，９１，（１９８０），８１により「Ｏ３，Ｐ２およびＰ３」と分類されてきた。これらの表記は、積層を表し；文字は、酸素イオンがアルカリイオンに配位される方式を意味し、文字Ｏは八面体配位を示し、文字Ｐはプリズム状配位を示す。数字は、単位セル内に含まれるＭＯ２層の数を指す。式１の未充電カソード活性化合物の場合には、正確な構造は、合成条件と同様に形成される化合物の組成の影響を受けるであろうが、それらは、Ｏ３タイプの結晶構造を有する層状α−ＮａＦｅＯ２タイプ構造（空間群 Ｒ−３ｍ，ｎｏ．１６６）を一般的に採用することが好ましい。他の結晶構造を採用し得ることもまた可能であるが、充電後、これらの材料は、Ｏ３、Ｐ２もしくはＰ３またはこれらの結晶構造の変形バージョンを採用すると考えられる。
本出願人は、以下の具体例の例７において、層状の式１の活性カソード化合物を電気化学セル（例えばＮａイオン電気化学セルなど）中で過充電した場合には、それらが構造的変化を受け、これにより、充電前の例えば式１の化合物からなどの初期前駆体材料、および例えばＮｉ２＋からのＮｉ４＋などに基づくそれらの従来の理論容量へ充電した後のものの両方と比較して、単位格子の体積の減少が作り出されることを実証した。かかる単位セル体積の減少は、アルカリ金属イオンの損失および少なくとも部分的な酸素の損失と一致すると考えられる。過充電された酸化物含有カソード化合物の別の特性は、それらが（未充電材料と比較して）結晶性を失うと思われることである。
材料が「過充電」されたといわれる場合の決定は、特定の材料についての電圧曲線を観測することによりなされる。従来の理論最大充電容量（すなわち、Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元対）未満またはその付近の容量で、第１電圧の特徴がみられる。しかしながら、曲線は、さらなるまたは「過」充電の際には、第２電圧の特徴まで上昇し続ける。前記材料は、この第２電圧の特徴の開始から「過充電された」といわれる。
したがって、本発明は、例えば、ナトリウムイオン電気化学セルなどの電気化学セルを形成すること；従来の理論最大充電容量を超えて充電された式１の化合物の結果として観測される電圧の特徴の少なくとも一部まで、電気化学セル（ナトリウムイオンセル）および式１の化合物を充電する（charging the electrochemical cell（sodium ion cell）and compound according to Formula 1 onto at least a portion of a voltage feature）こと、を含む、式１の化合物の比充電容量を増加させるプロセスを提供する。本発明のプロセスにおける「充電」を、式１の化合物にＮｉ２＋からＮｉ４＋へ酸化に基づく理論最大充電容量を超えるまでの１回充電がなされる、１回充電プロセスとして実施してもよく、代替的に、２つまた３つ以上の連続的段階を伴ってもよい。後者の場合には、「充電」には、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化に基づく、その従来の理論最大充電容量より低いかまたはそれに等しい充電容量へ、１つもしくは２つ以上の前のまたは第１の充電操作で１種または２種以上の式１の化合物が充電される、１つもしくは２つ以上の前のまたは第１の段階が含まれてもよく、その後、その前または第１の段階からの化合物がＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化に基づく理論最大充電容量を超えるまでの、１つまたは２つ以上の後での第２の充電操作において充電される、１つもしくは２つ以上の後のまたは第２の段階が続く。代替的に、まずその理論最大値より低いかまたはそれに等しい充電容量までの１つまたは２つ以上の第１の充電操作がなされることなく、式１の化合物を、理論最大充電を超えるまで１つまたは２つ以上の充電操作において充電してもよい。
さらなる態様において、本発明はまた、例えばＮａイオン電気化学セルなどの電気化学セルにおいて、式１の酸化物含有カソード化合物の比充電容量を増加させるプロセスを提供し、前記プロセスは：
ａ）Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元対に基づくカソードの従来の理論容量を超えて、１種または２種以上の式１の化合物を含む電気化学セル（ナトリウムイオン電気化学セル）を充電すること；および任意に、
ｂ）充電プロセスの間に生成したガスを除去するために、電気化学セル（Ｎａイオン電気化学セル）を脱気すること、
を含む。
上記のとおり、充電ステップを、単一または複数段階プロセスとして行ってもよい。
Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元対に基づく、その理論比容量限界まで充電された、式１のドープされたニッケル酸塩により、放電の際に酸素の損失なく化合物が再度得られ；すなわち、このレベルでは充電は可逆的にみえる。しかしながら、本発明のプロセスに従って「過充電」された式１の化合物を放電することにより、典型的には、本発明のドープされたニッケル酸塩化合物の生成がもたらされ、式中、
Ｍ１は、酸化状態０より大きく４＋未満のニッケルであり、
Ｍ２およびＭ４の少なくとも一方は、酸化状態０より大きく４＋以下の金属を含み、
０＜ａ＜１、
０＜ｖ＜０．５、および
０＜ｃ≦０．１、および好ましくは０．０５≦ｃ≦０．１
である。
結果として、過充電された式１の化合物の放電の間に、少なくともニッケルのいくつかは酸化状態４＋から酸化状態２＋へ還元され、ナトリウムイオンのいくつかまたは全ては格子中に再挿入され、失われた酸素原子は置き換えられない。
さらに、金属Ｍ２’および／またはＭ４’は初期過充電プロセスに対して何ら寄与しないが、過充電された材料の放電の際、金属Ｍ２’および／またはＭ４’の少なくとも一方はまた、酸化状態０より大きく４＋未満に還元され得るということが見出される。これが、最初の「過充電」の間に除去されたナトリウムイオンのいくつかまたは全てが、材料内に再挿入されることを可能にし、したがってより高い放電容量の材料を生成する。この説明から、本発明の未充電材料中のＭｎ４＋（またはＴｉ４＋）の意図された役割は、セル放電の間の還元（Ｎａ挿入）プロセスを可能にすることであることは明らかである。これは、第１の充電プロセスの間、Ｍｎ酸化プロセス Ｍｎ３＋→Ｍｎ４＋によりＮａ抽出を可能にする、ＵＳ２００７／０２１８３６１におけるマンガンの役割との正反対である。
Ｍ３’およびＭ５’金属の役割は、式１の前記ドープされたニッケル酸塩材料中のニッケル量を減らすことであり、それにより、酸素が前記構造から放出されるにつれて起こる、前記「過充電」メカニズムを可能にする。Ｍ３’およびＭ５’金属の存在はまた、これらの材料の相対的式質量（relative formula mass）（式重量（formula weight））を減らし、それにより電極材料のコスト効率をさらに改善する。異常容量を達成するため、初期材料（例えば式１のものなど）中にニッケルが存在するので、２倍を超えるナトリウム量がなければならず、その結果、Ｎｉ２＋全てがＮｉ４＋に酸化された場合に、前記材料中にいくらかＮａがなお存在するようにし、次いで、これは、前記材料が過充電される際に、除去され得る。これにより、なぜＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２について異常容量が観察されないのかが説明される；この場合、従来のＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化により、Ｎａの全てを除去するのに十分なＮｉ２＋が存在する。式１（式中、ａ’＜１）の化合物の各々において、上記の要件に従い、ｖ’（すなわち、Ｎｉの量）はａ’（すなわち、アルカリ金属の量）の値の半分未満でなければならず、材料全体にわたり電気的中性でなければならない。これら２つの条件の成立は、Ｍ３’金属、および／またはＭ５’金属の存在により促進される。
上記の本発明のプロセスにより作製されたドープされたニッケル酸塩含有化合物を、電気化学セル（例えば、Ｎａイオン電気化学セルなど）中で、Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元対についての正常電圧限界間でサイクルしてもよく、典型的には、これは１〜４Ｖであると予測され得、さらなる非従来の電圧プラトーは形成されない。しかしながら、いったん形成されると、正常電圧限界での本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物をサイクルすることは、従来の理論計算から予測されるであろうものより高い比充電容量を維持し、すなわち、本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、同じ正常電圧限界を使用してサイクルされる場合の式１の初期の化合物より良好な性能を有する。
よって、本発明は、電気化学セル（例えばＮａイオン電気化学セルなど）において１種または２種以上の本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を使用するプロセスを提供し、該プロセスは、１種または２種以上の本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む電気化学セル（Ｎａイオン電気化学セル）を、Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元対の正常電圧限界内の電圧範囲にわたってサイクルするステップを含み；ここで、電気化学セル（Ｎａイオン電気化学セル）を任意に脱気して、充電プロセスの間に生成したガスを除去する。
本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物は、例えばバッテリ、再充電可能なバッテリなどのエネルギー貯蔵デバイス、電気化学デバイスおよびエレクトロクロミックデバイスに広く使用され得る、例えばナトリウムイオン電気化学セルなどの電気化学セルを含む多くの異なる用途における使用に好適である。
ドープされたニッケル酸塩含有化合物を作製するための本発明のプロセスは、エネルギー貯蔵デバイス、バッテリ、再充電可能なバッテリ、電気化学デバイスまたはエレクトロクロミックデバイスにおいて、in situで都合良く行われる。
本発明はまた、１種または２種以上の本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物の、バッテリ、特に再充電可能なバッテリを含むエネルギー貯蔵デバイスにおける、電気化学デバイスおよびエレクトロクロミックデバイスにおける使用を提供する。さらに、本発明は、本発明の１種または２種以上のドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む、バッテリ、再充電可能なバッテリ、電気化学デバイスおよびエレクトロクロミックデバイスを含むエネルギー貯蔵デバイスを使用して電荷を貯蔵するプロセスを提供する。
本発明はまた、本発明の１種または２種以上のドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む、バッテリ、再充電可能なバッテリ、電気化学デバイスおよびエレクトロクロミックデバイスを含むエネルギー貯蔵デバイスを提供し、また、かかるエネルギー貯蔵デバイスを作製して使用する方法を含む。
本発明のドープされたニッケル酸塩含有化合物の調製のためのさらなる代替的プロセスにおいて、式１の材料からの酸素の少なくとも部分的損失を、例えばＮＯ２ＢＦ４、ＮＯ２ＰＦ６、メタノール中の臭素あるいは例えば過硫酸カリウムまたは硫酸アンモニウムなどの過硫酸塩などの試薬を使用して促進してもよい。
有利には、本発明の１種または２種以上のドープされたニッケル酸塩含有化合物を含む電極を、対電極および１種または２種以上の電解質材料と併せて使用する。電解質材料は、あらゆる従来のまたは既知の材料であってもよく、水性電解質（単数／複数）または非水性電解質（単数／複数）のいずれかを含んでもよい。
イオン交換プロセスを使用して、ナトリウムイオン誘導体を混合リチウムイオン／ナトリウムイオン材料に変換することも可能である。
ＮａからＬｉイオンへの交換を達成する典型的な方法には：
１．ナトリウムイオン材料を、リチウム含有材料と、例えば、ＬｉＮＯ３と混合し、ＬｉＮＯ３の融点（２６４℃）を超えるところまで加熱し、冷却し、次いで洗浄して過剰量のＬｉＮＯ３および副生成物を除去すること
２．Ｎａイオン材料を、リチウム塩の水溶液で、例えば、水中の１Ｍ ＬｉＣｌで処理すること；および
３．Ｎａイオン材料を、リチウム塩の非水溶液で、例えば、ヘキサノール、プロパノールなどの、１種または２種以上の脂肪族アルコール中のＬｉＢｒで処理すること、
が含まれる。
図面の簡単な説明
本発明を、ここで、以下の図面を参照して説明する：
図１Ａは、比較例１において使用される化合物ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２についてのＸＲＤプロファイルであり； 図１Ｂは、３０℃で、１．５〜４．０Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セルについての最初の４サイクルについての充放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図１Ｃは、３０℃で、１．５〜４．０Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セルについてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示し； 図１Ｄは、３０℃で、１．５〜４．０Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セルについての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図１Ｅは、３０℃で、１．５〜４．０Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セルについての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示し； 図２Ａは、例２において使用される化合物Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２についてのＸＲＤプロファイルであり； 図２Ｂは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セルについての最初の４サイクルについての充放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図２Ｃは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セルについてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示し； 図２Ｄは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セルについての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図２Ｅは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セルについての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示し； 図３Ａは、例３において使用される化合物Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２についてのＸＲＤプロファイルであり； 図３Ｂは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セルについての最初の４サイクルについての充放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図３Ｃは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セルについてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示し； 図３Ｄは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セルについての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図３Ｅは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セルについての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示し； 図４Ａは、例４において使用される化合物Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２についてのＸＲＤプロファイルであり； 図４Ｂは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セルについての最初の４サイクルについての充放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図４Ｃは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セルについてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示し； 図４Ｄは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セルについての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図４Ｅは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セルについての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示し； 図５Ａは、例５において使用される化合物Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２についてのＸＲＤプロファイルであり； 図５Ｂは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セルについての最初の４サイクルについての充放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図５Ｃは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セルについてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示し； 図５Ｄは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セルについての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図５Ｅは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セルについての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示し； 図６Ａは、例６において使用される材料Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２についてのＸＲＤプロファイルであり； 図６Ｂは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セルについての最初の４サイクルについての充放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図６Ｃは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セルについてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示し； 図６Ｄは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セルについての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示し； 図６Ｅは、３０℃で、１．０〜４．２Ｖでサイクルされた、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セルについての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示し； 図７は、ａ）前駆体出発材料であるＮａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｔｉ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｍｎ０．２０８３Ｏ２、ｂ）１３９ｍＡｈ／ｇの比容量に充電された後でセルから回復された、当初Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｔｉ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｍｎ０．２０８３Ｏ２を含む電極およびｃ）１９２ｍＡｈ／ｇの比容量に充電された後でセルから回復された、当初Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｔｉ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｍｎ０．２０８３Ｏ２を含む電極についてのＸＲＤプロファイルの比較である。
詳細な説明
あらゆる都合の良いプロセスを使用して、上記の式１の化合物を作製してもよい。例えば、以下の一般的方法を使用してもよい：
一般的方法：
１）正確な化学量論比の出発材料を一緒に念入りに混合し、要求される生成物が、理想的には最小量の副反応生成物および未反応出発材料で生成されることを確実にして、プレスしてペレットにする。
２）炉中で、周囲空気雰囲気または流通する不活性雰囲気（例えば、アルゴンまたは窒素など）のいずれかを使用して、４００℃〜１５００℃の炉温度で、反応生成物が生成するまで、得られた混合物を加熱する。
３）前記生成物を冷却して、その後粉末にすりつぶす。
以下の表１は、比較化合物ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２（例１）および式１の化合物（例２〜６）を調製するために使用された、出発材料および加熱条件を列挙する。
Figure 0006685228
エネルギー貯蔵デバイス中での充放電の間、電極材料が安全であることが望ましい。今日慣用されるＬｉイオンバッテリは、安全／過酷試験（safety／abuse testing）に供され、かかる試験の結果は、リチウム酸化物系カソード材料が、熱暴走として知られる所望されないプロセスへの主要な寄与因子である酸素を遊離しやすいことを明らかにする。本発明に先立って、類似の熱暴走プロセスがまた、ナトリウム酸化物系材料について観測され、かかるナトリウム酸化物系材料が再充電可能なバッテリ用途における過充電により、安全でないことおよび／または完全に使用不可能となるであろうこと、が予期され得た。しかしながら、本発明により、驚くべきことに、これらのナトリウム系材料を過充電した場合には、それらが熱力学的にかなり安定で、電気化学セル（例えば、Ｎａイオン電気化学セルなど）においてカソード材料として使用される場合には極めて効率的でより安全である材料が得られることが実証された。
ＸＲＤを使用した生成物分析
Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｄ５０００粉末回析計を使用して、Ｘ線回折技法による分析を行い、所望の標的材料が調製されたことを確認し、生成物材料の相純度を立証し、存在する不純物のタイプを決定した。この情報から、単位格子定数を決定することが可能である。
材料を分析するために使用される、一般的ＸＲＤ操作条件は、以下のとおりである：
スリットサイズ：１ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ
範囲：２Θ＝５°〜６０°
Ｘ線波長＝１．５４１８Å（オングストローム）（Ｃｕ Ｋα）
スピード：１．０秒／ステップ
インクリメント：０．０２５°
電気化学的結果
標的材料を、ハードカーボンアノードを使用した、Ｎａイオン試験セルを使用して試験した。セルを、以下の手順を使用して作製してもよい：
活物質を含むＮａイオン電気化学試験セルを、以下のとおり構築する：
ハードカーボンＮａイオンセルを作製するための一般的手法
前記陽極を、活物質、導電性カーボン、バインダおよび溶媒のスラリーを溶液キャスティングすることにより調製する。使用する導電性カーボンは、Ｓｕｐｅｒ Ｐ（Ｔｉｍｃａｌ）である。ＰＶｄＦをバインダとして使用して、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を溶媒として用いる。スラリーを、次いでアルミニウム箔上に鋳造して、ほとんどの溶媒が蒸発して電極フィルムが形成されるまで加熱する。電極を、次いで約１２０℃で、動的真空（dynamic vacuum）下で乾燥する。電極フィルムは、以下の構成成分を含み、これらは、重量パーセントにより表される：８８％ 活物質、６％ Ｓｕｐｅｒ Ｐカーボン、および６％ＰＶｄＦバインダ、である。
陰極を、ハードカーボン活物質（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ／Ｊ、クレハにより供給されるもの）、導電性カーボン、バインダおよび溶媒のスラリーを溶液キャスティングすることにより調製する。使用する導電性カーボンは、Ｓｕｐｅｒ Ｐ（Ｔｉｍｃａｌ）である。ＰＶｄＦをバインダとして使用して、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を溶媒として用いる。スラリーを、次いでアルミニウム箔上に鋳造して、ほとんどの溶媒が蒸発して電極フィルムが形成されるまで加熱する。電極を、次いで約１２０℃で、動的真空下で乾燥する。電極フィルムは、以下の構成成分を含み、これらは、重量パーセントにより表される：８９％ 活物質、２％ Ｓｕｐｅｒ Ｐカーボン、および９％ＰＶｄＦバインダ、である。
セル試験
セルを、定電流サイクリング（Constant Current Cycling）手法を使用して、以下のとおり試験する。
セルに、プリセット電圧限界間で、所定の電流密度で充放電サイクルを行う（cycled）。Ｍａｃｃｏｒ社（Ｔｕｌｓａ、ＯＫ、米国）からの市販のバッテリ充放電器を使用する。充電の際、アルカリイオンは、カソード活物質から抽出される。放電の間、アルカリイオンは、カソード活物質中に再挿入される。
電気化学セルを過充電するための都合の良い方法
プリセットセル電圧限界、典型的には４．２Ｖまで、定電流条件下でセルを充電する。この定電流段階の終了時に、セル電流が定電流値の１％未満へ落ち込むまで定電圧（ＣＶ − 定電位）（典型的には４．２Ｖ）でセルをさらに充電する。このＣＶステップは、セルが完全に充電されることを確実にする。この充電プロセスに続いて、セルをより低いプリセット電圧限界（典型的には１．０Ｖ）まで放電する。
例１：比較化合物ＮａＮｉ ０．５ Ｍｎ ０．５ Ｏ ２
この比較例において、本発明のプロセスをＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２で行う場合に、異常容量挙動は観察されないことが示される。これは、［Ｎｉ］活性が、Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化プロセスを使用して（理論的には）全てのＮａが抽出されるのに十分であるためである。図１（Ｂ）〜１（Ｅ）が例示するとおり、および以下で説明されるとおり、を含む電気化学セルをＮｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元対により決定されるとおりの従来の理論比容量を超えて充電した場合に（when an electrochemical cell containing it is charged beyond the conventional theoretical specific capacity as determined by the Ni2+／Ni4+ redox couple）、この化合物についての異常容量は観察されない。
硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セルを、以下のとおりに４Ｖまで充電して４Ｖで定電位を維持して（定電圧ステップ）、調製した。図１（Ｂ）〜１（Ｅ）に示されたデータは、このカソード材料が容量の釣り合いの取れた硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ／Ｊ）アノード材料と結合された、Ｎａイオンセル（セル ＃２０４０５６）中のＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２化合物についての定電流サイクルデータから導かれる。使用された電解質は、プロピレンカーボネート中のＮａＣｌＯ４の０．５Ｍ溶液であった。定電流データを、電圧限界１．５０〜４．００Ｖで、およその電流密度０．１ｍＡ／ｃｍ２で回収した。セルを完全に充電するために、Ｎａイオンセルを、定電流充電プロセスの終了時に電流が定電流値の１％未満へ落ち込むまで４．０Ｖの定電位に維持した。セル試験を３０℃で行った。セル充電プロセスの間、ナトリウムイオンがカソード活物質から抽出されて、硬質カーボンアノード中へ挿入される。後続の放電プロセスの間、ナトリウムイオンは硬質カーボンから抽出されて、カソード活物質中へ再挿入される。
図１（Ｂ）は、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セル（セル ＃２０４０５６）についての最初の４充放電サイクル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。第１の充電プロセスの間、１６２ｍＡｈ／ｇのカソード比容量が、ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２活物質について達成される。約３．７Ｖより低いセル電圧において、傾斜プロファイルがＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２化合物からＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づいて進行するＮａ抽出プロセスを反映していることは明らかである。この第１の放電プロセスは、８６ｍＡｈ／ｇのカソード比容量と等しい。この放電プロセスは、カソード材料内のＮｉ４＋からＮｉ２＋への還元に基づく。
図１（Ｃ）は、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セル（セル ＃２０４０５６）についてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示す。セルは、４サイクル後におよそ８５ｍＡｈ／ｇを与える（delivered）カソード比容量の良好な可逆性を示す。
図１（Ｄ）は、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セル（セル ＃２０４０５６）についての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。このサイクルにおけるカソード比容量は、８６ｍＡｈ／ｇに相当する。
図１（Ｅ）は、硬質カーボン／／ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２セル（セル ＃２０４０５６）についての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示す。これらの対称データは、このＮａイオンセルにおけるイオン挿入反応の可逆性を実証する。
結論として、この比較例は、実験例のいずれよりも多くのＮｉを含むが、ＮａＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２は、よりずっと低い可逆的比容量を与えることを示す。Ｎａ：Ｎｉ比（２：１）は、セル充放電の間に生じる酸化還元プロセスの全てが、カソード活物質中でのＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に単に基づくレベルに設定される。異常容量挙動はなく、これによりカソード可逆容量が制限される。
例２：本発明のプロセスに従う、Ｎｉ ２＋ からＮｉ ４＋ への酸化還元対により決定される、従来の理論容量を超えるＮａ ０．９５ Ｎｉ ０．３１６７ Ｍｎ ０．３１６７ Ｍｇ ０．１５８３ Ｔｉ ０．２０８３ Ｏ ２ の充電の効果
本発明のプロセスに従って、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セルを以下に記載のとおりに調製し、次いで過充電して４．２Ｖに維持した。
図２（Ｂ）〜２（Ｅ）に示されるデータは、このカソード材料が容量の釣り合いの取れた硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ／Ｊ）アノード材料と結合された、Ｎａイオンセル（セル ＃３１１０３３）中のＮａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２化合物についての定電流サイクルデータから導かれる。使用された電解質は、プロピレンカーボネート中のＮａＣｌＯ４の０．５Ｍ溶液であった。定電流データを、電圧限界１．００〜４．２０Ｖで、およその電流密度０．１２５ｍＡ／ｃｍ２で回収した。セルを完全に充電するために、Ｎａイオンセルを、定電流充電プロセスの終了時に電流が定電流値の１％未満へ落ち込むまで４．２Ｖの定電位に維持した。セル試験を３０℃で行った。セル充電プロセスの間、ナトリウムイオンがカソード活物質から抽出されて、硬質カーボンアノード中へ挿入される。後続の放電プロセスの間、ナトリウムイオンは硬質カーボンから抽出されて、カソード活物質中へ再挿入される。
図２（Ｂ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セル（セル ＃３１１０３３）についての最初の４充放電サイクル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。第１の充電プロセスの間、異常な高充電容量が実現し（２１４ｍＡｈ／ｇのカソード比容量が達成され）、これはＮａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２化合物についての（Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく）理論比容量より顕著に大きな数値である。特に、２つのセクションの電圧プロファイルが、この初期のセル充電ステップの間ではっきりと明らかである。約４．０Ｖより低いセル電圧において、傾斜プロファイルがＮａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２化合物からのＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく従来のＮａ抽出プロセスを反映していることは明らかである。約４．０Ｖより大きなセル電圧においては、よりフラットな電圧領域が明らかであり、これは、おそらくＮａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２化合物について生じる新たなＮａ抽出プロセス（すなわち、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づかないもの）を反映する。重要なことは、この２つのセクションの充電挙動は、後続のセル充電プロファイルについて明らかではない。第１の放電プロセスは、１５８ｍＡｈ／ｇのカソード比容量と等しい。
図２（Ｃ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セル（セル ＃３１１０３３）についてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示す。セルは、４サイクル後におよそ１５０ｍＡｈ／ｇを与えるカソード比容量の良好な可逆性を示す。
図２（Ｄ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セル（セル ＃３１１０３３）についての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。このサイクルにおけるカソード比容量は、１５２ｍＡｈ／ｇに相当する。
図２（Ｅ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２セル（セル ＃３１１０３３）についての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示す。これらの対称データは、このＮａイオンセルにおけるイオン挿入反応の優れた可逆性を実証する。
結論として、例２において得られた電気化学データは、高い活物質比容量および優れた可逆性を実証する。データは、ＮｉおよびＮａ含有量の両方がより高い比較例１に示されたものよりずっと優位である。
例３：本発明のプロセスに従う、Ｎｉ ２＋ からＮｉ ４＋ への酸化還元対により決定される、従来の理論容量を超えるＮａ ０．９２５ Ｎｉ ０．３０８ Ｍｎ ０．３０８ Ｍｇ ０．１５４ Ｔｉ ０．２２９ Ｏ ２ の充電の効果
本発明のプロセスに従って、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セルを以下に記載のとおりに調製し、次いで過充電して４．２Ｖに維持した。
図３（Ｂ）〜３（Ｅ）に示されるデータは、このカソード材料が容量の釣り合いの取れた硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ／Ｊ）アノード材料と結合された、Ｎａイオンセル（セル ＃３１２００１）中のＮａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２化合物についての定電流サイクルデータから導かれる。使用された電解質は、プロピレンカーボネート中のＮａＣｌＯ４の０．５Ｍ溶液であった。定電流データを、電圧限界１．００〜４．２０Ｖで、およその電流密度０．１２５ｍＡ／ｃｍ２で回収した。セルを完全に充電するために、Ｎａイオンセルを、定電流充電プロセスの終了時に電流が定電流値の１％未満へ落ち込むまで４．２Ｖの定電位に維持した。セル試験を３０℃で行った。セル充電プロセスの間、ナトリウムイオンがカソード活物質から抽出されて、硬質カーボンアノード中へ挿入される。後続の放電プロセスの間、ナトリウムイオンは硬質カーボンから抽出されて、カソード活物質中へ再挿入される。
図３（Ｂ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セル（セル ＃３１２００１）についての最初の４充放電サイクル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。およそ４Ｖより高い第１の充電プロセスの間、異常な高充電容量が実現し（１９９ｍＡｈ／ｇのカソード比容量が達成され）、これはＮａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２活物質についての（Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく）理論比容量より顕著に大きな数値である。特に、２つのセクションの電圧プロファイルが、この初期のセル充電ステップの間ではっきりと明らかである。約４．０Ｖより低いセル電圧において、傾斜プロファイルがＮａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２活物質からのＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく従来のＮａ抽出プロセスを反映していることは明らかである。約４．０Ｖより大きなセル電圧においては、よりフラットな電圧領域が明らかであり、これは、おそらくＮａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２活物質について生じる新たなＮａ抽出プロセス（すなわち、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づかないもの）を反映する。重要なことは、この２つのセクションの充電挙動は、後続のセル充電プロファイルについて明らかではない。第１の放電プロセスは、１５０ｍＡｈ／ｇのカソード比容量と等しい。
図３（Ｃ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セル（セル ＃３１２００１）についてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示す。セルは、４サイクル後におよそ１４５ｍＡｈ／ｇを与えるカソード比容量の良好な可逆性を示す。
図３（Ｄ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セル（セル ＃３１２００１）についての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。このサイクルにおけるカソード比容量は、１４７ｍＡｈ／ｇに相当する。
図３（Ｅ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２セル（セル ＃３１２００１）についての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示す。これらの対称データは、このＮａイオンセルにおけるイオン挿入反応の優れた可逆性を実証する。
結論として、例３において得られた電気化学データは、高い活物質比容量および優れた可逆性を実証する。データは、ＮｉおよびＮａ含有量の両方がより高い比較例１に示されたものよりずっと優位である。
例４：本発明のプロセスに従う、Ｎｉ ２＋ からＮｉ ４＋ への酸化還元対により決定される、従来の理論容量を超えるＮａ ０．９ Ｎｉ ０．３ Ｍｎ ０．３ Ｍｇ ０．１５ Ｔｉ ０．２５ Ｏ ２ の充電の効果
本発明のプロセスに従って、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１Ｔｉ０．２５Ｏ２セルを以下に記載のとおりに調製し、次いで過充電して４．２Ｖに維持した。
図４（Ｂ）〜４（Ｅ）に示されるデータは、このカソード材料が容量の釣り合いの取れた硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ／Ｊ）アノード材料と結合された、Ｎａイオンセル（セル ＃３１１０６９）中のＮａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２活物質についての定電流サイクルデータから導かれる。使用された電解質は、プロピレンカーボネート中のＮａＣｌＯ４の０．５Ｍ溶液であった。定電流データを、電圧限界１．００〜４．２０Ｖで、およその電流密度０．１２５ｍＡ／ｃｍ２で回収した。セルを完全に充電するために、Ｎａイオンセルを、定電流充電プロセスの終了時に電流が定電流値の１％未満へ落ち込むまで４．２Ｖの定電位に維持した。セル試験を３０℃で行った。セル充電プロセスの間、ナトリウムイオンがカソード活物質から抽出されて、硬質カーボンアノード中へ挿入される。後続の放電プロセスの間、ナトリウムイオンは硬質カーボンから抽出されて、カソード活物質中へ再挿入される。
図４（Ｂ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セル（セル ＃３１１０６９）についての最初の４充放電サイクル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。第１の充電プロセスの間、異常な高充電容量が実現し（１９７ｍＡｈ／ｇのカソード比容量が達成され）、これはＮａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２活物質についての（Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく）理論比容量より顕著に大きな数値である。特に、２つのセクションの電圧プロファイルが、この初期のセル充電ステップの間ではっきりと明らかである。約４．０Ｖより低いセル電圧において、傾斜プロファイルがＮａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２活物質からのＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく従来のＮａ抽出プロセスを反映していることは明らかである。約４．０Ｖより大きなセル電圧においては、よりフラットな電圧領域が明らかであり、これは、おそらくＮａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２活物質について生じる新たなＮａ抽出プロセス（すなわち、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づかないもの）を反映する。重要なことは、この２つのセクションの充電挙動は、後続のセル充電プロファイルについて明らかではない。第１の放電プロセスは、１４０ｍＡｈ／ｇのカソード比容量と等しい。
図４（Ｃ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セル（セル ＃３１１０６９）についてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示す。セルは、４サイクル後におよそ１３３ｍＡｈ／ｇを与えるカソード比容量の良好な可逆性を示す。
図４（Ｄ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セル（セル ＃３１１０６９）についての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。このサイクルにおけるカソード比容量は、１３４ｍＡｈ／ｇに相当する。
図４（Ｅ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２セル（セル ＃３１１０６９）についての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示す。これらの対称データは、このＮａイオンセルにおけるイオン挿入反応の優れた可逆性を実証する。
結論として、例４において得られた電気化学データは、高い活物質比容量および優れた可逆性を実証する。データは、ＮｉおよびＮａ含有量の両方がより高い比較例１に示されたものよりずっと優位である。
例５：本発明のプロセスに従う、Ｎｉ ２＋ からＮｉ ４＋ への酸化還元対により決定される、従来の理論容量を超えるＮａ ０．８５ Ｎｉ ０．２８３ Ｍｎ ０．２８３ Ｍｇ ０．１４２ Ｔｉ ０．２９２ Ｏ ２ の充電の効果
本発明のプロセスに従って、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セルを以下に記載のとおりに調製し、次いで過充電して４．２Ｖに維持した。
図５（Ｂ）〜５（Ｅ）に示されるデータは、このカソード材料が容量の釣り合いの取れた硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ／Ｊ）アノード材料と結合された、Ｎａイオンセル（セル ＃３１１０６８）中のＮａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２活物質についての定電流サイクルデータから導かれる。使用された電解質は、プロピレンカーボネート中のＮａＣｌＯ４の０．５Ｍ溶液であった。定電流データを、電圧限界１．００〜４．２０Ｖで、およその電流密度０．１２５ｍＡ／ｃｍ２で回収した。セルを完全に充電するために、Ｎａイオンセルを、定電流充電プロセスの終了時に電流が定電流値の１％未満へ落ち込むまで４．２Ｖの定電位に維持した。セル試験を３０℃で行った。セル充電プロセスの間、ナトリウムイオンがカソード活物質から抽出されて、硬質カーボンアノード中へ挿入される。後続の放電プロセスの間、ナトリウムイオンは硬質カーボンから抽出されて、カソード活物質中へ再挿入される。
図５（Ｂ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セル（セル ＃３１１０６８）についての最初の４充放電サイクル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。第１の充電プロセスの間、異常な高充電容量が実現し（１８７ｍＡｈ／ｇのカソード比容量が達成され）、これはＮａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２活物質についての（Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく）理論比容量より顕著に大きな数値である。特に、２つのセクションの電圧プロファイルが、この初期のセル充電ステップの間ではっきりと明らかである。約４．０Ｖより低いセル電圧において、傾斜プロファイルがＮａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２活物質からのＮｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づく従来のＮａ抽出プロセスを反映していることは明らかである。約４．０Ｖより大きなセル電圧においては、よりフラットな電圧領域が明らかであり、これは、おそらくＮａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２活物質について生じる新たなＮａ抽出プロセス（すなわち、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づかないもの）を反映する。重要なことは、この２つのセクションの充電挙動は、後続のセル充電プロファイルについて明らかではない。第１の放電プロセスは、１３４ｍＡｈ／ｇのカソード比容量と等しい。
図５（Ｃ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セル（セル ＃３１１０６８）についてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示す。セルは、４サイクル後におよそ１３１ｍＡｈ／ｇを与えるカソード比容量の良好な可逆性を示す。
図５（Ｄ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セル（セル ＃３１１０６８）についての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。このサイクルにおけるカソード比容量は、１３１ｍＡｈ／ｇに相当する。
図５（Ｅ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２セル（セル ＃３１１０６８）についての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示す。これらの対称データは、このＮａイオンセルにおけるイオン挿入反応の優れた可逆性を実証する。
結論として、例５において得られた電気化学データは、高い活物質比容量および優れた可逆性を実証する。データは、ＮｉおよびＮａ含有量の両方がより高い比較例１に示されたものよりずっと優位である。
例６：本発明のプロセスに従う、Ｎａ ０．８３３ Ｎｉ ０．３１７ Ｍｎ ０．４６７ Ｍｇ ０．１ Ｔｉ ０．１１７ Ｏ ２ による酸素損失の効果
本発明のプロセスに従って、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セルを以下に記載のとおりに調製し、次いで過充電して４．２Ｖに維持した。
図６（Ｂ）〜６（Ｅ）に示されるデータは、このカソード材料が容量の釣り合いの取れた硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ／Ｊ）アノード材料と結合された、Ｎａイオンセル（セル ＃３１１０６３）中のＮａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２活物質についての定電流サイクルデータから導かれる。使用された電解質は、プロピレンカーボネート中のＮａＣｌＯ４の０．５Ｍ溶液であった。定電流データを、電圧限界１．００〜４．２０Ｖで、およその電流密度０．１２５ｍＡ／ｃｍ２で回収した。セルを完全に充電するために、Ｎａイオンセルを、定電流充電プロセスの終了時に電流が定電流値の１％未満へ落ち込むまで４．２Ｖの定電位に維持した。セル試験を３０℃で行った。セル充電プロセスの間、ナトリウムイオンがカソード活物質から抽出されて、硬質カーボンアノード中へ挿入される。後続の放電プロセスの間、ナトリウムイオンは硬質カーボンから抽出されて、カソード活物質中へ再挿入される。
図６（Ｂ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セル（セル ＃３１１０６３）についての最初の４充放電サイクル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対累積カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。第１の充電プロセスの間、Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２活物質について１６０ｍＡｈ／ｇのカソード比容量が達成される。第１の放電プロセスは、１２２ｍＡｈ／ｇのカソード比容量と等しい。
図６（Ｃ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セル（セル ＃３１１０６３）についてのサイクル寿命性能（カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］対サイクル数）を示す。セルは、４サイクル後におよそ１２２ｍＡｈ／ｇを与えるカソード比容量の良好な可逆性を示す。
図６（Ｄ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セル（セル ＃３１１０６３）についての第３のサイクル放電電圧プロファイル（Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］対カソード比容量［ｍＡｈ／ｇ］）を示す。このサイクルにおけるカソード比容量は、１２２ｍＡｈ／ｇに相当する。
図６（Ｅ）は、硬質カーボン／／Ｎａ０．８３３Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２セル（セル ＃３１１０６３）についての第３のサイクル微分容量プロファイル（微分容量［ｍＡｈ／ｇ／Ｖ］対Ｎａイオンセル電圧［Ｖ］）を示す。これらの対称データは、このＮａイオンセルにおけるイオン挿入反応の優れた可逆性を実証する。
本出願人は、以下の説明に強く拘束されることを希望しないが、彼らの目下の意見は、過充電のプロセスは、格子中のＯ２−を酸化させることが可能であり、よって、Ｏ２として構造からこれを放出し、これは、残留するナトリウムイオンのいくらかの除去を伴う。このようなナトリウムおよび酸素の両方の損失により、単位格子のａおよびｃパラメータ両方の、観測される減少および結果として得られる単位格子体積の全体の減少が説明されると考えられる。
例７：本発明のプロセスを使用する、すなわち、異常容量挙動を示すセルからのＮａ ０．２０７５ Ｎｉ ０．３１６７ Ｍｎ ０．３１６７ Ｍｇ ０．１５８３ Ｔｉ ０．２０８３ Ｏ １．９４５４ の調製（完全充電されたもの）
活性前駆体のドープされたニッケル酸塩含有化合物Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２（表１における化合物２）を、表１に概説された条件を使用して調製し、図７に示されるＸＲＤを生成した。アルミニウム集電体がＸＲＤパターン（ｂ）および（ｃ）へいくらか強度を与え得るので、図７におけるアスタリスクはアルミニウムについてのピーク位置を示す。
この化合物を、硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ（Ｊ））アノード／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２カソードを含むセル（＃４１２００４）に作製し、ＥＣ／ＤＥＣ／ＰＣ（１：１：１）中の０．５Ｍ ＮａＰＦ６を含む電解質を使用した。調製されたとおりのセル中のカソードの活性質量＝５３．６ｍｇ。
１９２ｍＡｈ／ｇの比容量への充電プロセスの（すなわち、本発明の異常容量プロセスを組み入れた）（図７ｃ）に示されるＸＲＤを生成した）後に、カソード電極をセルから取り外して清浄なジメチルカーボネート中で数回洗浄して電解質を除去し、次いで７０℃で乾燥した。この第１の充電プロセスの後の洗浄されたカソードの活性質量＝４４．２ｍｇ。
図７ｃ）を見ると、１９２ｍＡｈ／ｇの比容量への充電プロセス後に得られた材料が、従来のＮｉ２＋からＮｉ４＋への充電プロセスのみの、異常容量プロセスを含まない（１３９ｍＡｈ／ｇの比容量へ充電された）図７ｂ）に示されたもの、または（図７ａ）に示される）当初の活性前駆体のドープされたニッケル酸塩含有材料Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２により示されるものの、いずれとも同一でないであることは明らかである。１９２ｍＡｈ／ｇの比容量への過充電プロセス後に得られる生成物について提案される組成は、以下の質量損失実験により決定されるとおりの、Ｎａ０．２０７５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ１．９４５４である。
Ｎａ ０．２０７５ Ｎｉ ０．３１６７ Ｍｎ ０．３１６７ Ｍｇ ０．１５８３ Ｔｉ ０．２０８３ Ｏ １．９４５４ の生成を証明する質量損失実験
上記の情報を使用した、Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２カソード材料を含む上記セル（＃４１２００４）の過充電後の活性質量損失＝（５３．６ｍｇ−４４．２ｍｇ）＝９．４ｍｇ。
よって、実測質量損失％＝１７．５％
充電プロセスが、Ｎａイオン抽出のみによる場合には、質量損失は以下のとおりでなければならない：
出発化合物Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２＝
分子量＝１０３．６
Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元プロセスのみに基づいて、セル充電の際に式単位毎に０．６３３３のＮａイオンを抽出することのみが可能であり、すなわち、
Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ → Ｎａ０．３１６７Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ ＋ ０．６３３３Ｎａ＋ ＋０．６３３３ｅ− （１）
したがって、この反応（１）に基づく理論容量は、以下により与えられ得る：
理論比容量＝（０．６３３３×９６４８５）／（１０３．６×３．６）＝１６４ｍＡｈ／ｇ
よって、反応（１）について予測される質量損失％＝（１４．６／１０３．６）×１００＝１４．０％。
セル ＃４１２００４についての充電プロセスは、１９２ｍＡｈ／ｇの実際のカソード比容量に相当し、すなわち、１６４ｍＡｈ／ｇの予測される理論比容量をはるかに超える。
よって、以下の充電メカニズム全体は：
Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ → Ｎａ０．３１６７Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ ＋ ０．６３３３Ｎａ＋ ＋ ０．６３３３ｅ− （１）
次いで：
Ｎａ０．３１６７Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ → Ｎａ０．２０７５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ１．９４５４ ＋ ０．１０９１Ｎａ＋ ＋ ０．０２７３Ｏ２ ＋ ０．１ｅ− （２）
であることが提案される。
Ｎａの抽出についての（本出願人のメカニズムによる）プロセス全体をみると：
Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ → Ｎａ０．２０７５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ１．９４５４ ＋ ０．７４２５Ｎａ＋ ＋ ０．０２７３Ｏ２ ＋ ０．７４２５ｅ− （３）
である。
したがって、この反応（３）に基づく理論容量は、以下により与えられ得る：
理論比容量＝（０．７２４５×９６４８５）／（１０３．６×３．６）＝１９２ｍＡｈ／ｇ
また、反応（３）について予測される質量損失＝（（１０３．６−８５．７）／１０３．６）×１００％＝１７．３％。
この質量損失パーセンテージは、観測された（上記で詳述された）１７．５％に極めて近い。
結論として、比容量および予測される質量損失の両方についての理論的結果および実際の結果の間に極めて近い対応関係があることに基づき、本出願人は、Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２を第２の非従来の電圧プラトーの終了まで充電する場合に、Ｎａ０．２０７５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ１．９４５４が得られることを高い確実性を以て決定することができた。
上記の反応（３）から、異常容量が、Ｎａ２Ｏの正味損失、すなわち、活性Ｎａ＋イオンの生成に加えてＯ２の遊離の結果として発生し、これにより新たな層状酸化物活物質Ｎａ０．２０７５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ１．９４５４が生成することが提案される。通常の充電メカニズム、すなわち、カソードからの単なるＮａ＋抽出ではないが、材料からＮａ＋および酸素を放出して新たな化合物を生成する構造的変化であるので、これは驚くべきことである。
例８：Ｎｉ ２＋ からＮｉ ４＋ への酸化還元プロセスについての従来の理論最大値までのＮａ ０．９５ Ｎｉ ０．３１６７ Ｍｎ ０．３１６７ Ｍｇ ０．１５８３ Ｔｉ ０．２０８３ Ｏ ２ の充電、すなわち、異常容量挙動を示さないセルからのもの（部分的に充電されたもの）。
活性前駆体のドープされたニッケル酸塩含有化合物Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２（表１における化合物２）を、表１に概説された条件を使用して調製し、図７ａ））に示されるＸＲＤを生成した。この化合物を、硬質カーボン（Ｃａｒｂｏｔｒｏｎ Ｐ（Ｊ））アノード／／Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２カソードを含むセル（＃４１２００３）に作製し、ＥＣ／ＤＥＣ／ＰＣ（１：１：１）中の０．５Ｍ ＮａＰＦ６を含む電解質を使用した。調製されたとおりのセル中のカソードの活性質量＝５１．０ｍｇ。
代わりにＮｉ２＋からＮｉ４＋への充電プロセスを使用しただけの、１３９ｍＡｈ／ｇの比容量への充電プロセスの（すなわち、本発明の異常容量プロセスを組み入れていない）（図７ｂ）に示されるＸＲＤを生成した）後に、カソード電極をセルから取り外して清浄なジメチルカーボネート中で数回洗浄して電解質を除去し、次いで７０℃で乾燥した。この第１の充電プロセスの後の洗浄されたカソードの活性質量＝４５．０ｍｇ。
図７ｂ）を見ると、１３９ｍＡｈ／ｇの比容量への充電プロセス後に得られた材料が、異常容量プロセスを含む（１９２ｍＡｈ／ｇの比容量へ充電された）図７ｃ）に示されたものとも、または（図７ａ）に示される）当初の活性前駆体のドープされたニッケル酸塩含有材料Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２により示されるものの、いずれとも同一でないことは明らかである。１３９ｍＡｈ／ｇの比容量への過充電プロセス後に得られる生成物について提案される組成は、以下の質量損失実験により決定されるとおりのＮａ０．４１２５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２である。
Ｎａ ０．４１２５ Ｎｉ ０．３１６７ Ｍｎ ０．３１６７ Ｍｇ ０．１５８３ Ｔｉ ０．２０８３ Ｏ ２ の生成を証明する質量損失実験
上記の情報を使用した、Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２カソード材料を含む上記セル（＃４１２００３）の過充電後の活性質量損失＝（５１．０ｍｇ−４５．０ｍｇ）＝６ｍｇ。
実測質量損失％＝１１．８％
充電プロセスが、Ｎａイオン抽出のみによる場合には、質量損失は以下のとおりでなければならない：
出発化合物＝Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２
分子量＝１０３．６
Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元プロセスにのみ基づいて、充電プロセスは：
Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ → Ｎａ０．４１２５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２ ＋ ０．５３７５Ｎａ＋ ＋０．５３７５ｅ− （１）
として与えられ得る。
反応（１）について予測される質量損失％＝（１０３．６−９１．３）／１０３．６×１００＝１１．９％。
結論として、予測される質量損失１１．８％対１１．９％についての理論的結果および実際の結果の間に極めて近い対応関係があることに基づき、本出願人は、Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２を従来の理論的充電プロセス、すなわち、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元反応がこれらの条件下で起こるプロセスまで充電する場合に、Ｎａ０．４１２５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２が得られることを高い確実性を以て決定することができた。

Claims (10)

  1. 以下：
    ＡａＭ１ ｖＭ２ ｗＭ３ ｘＭ４ ｙ Ｏ ２−ｃ
    （式中、
    Ａは、ナトリウムまたはナトリウムが主要構成成分である混合アルカリ金属のいずれかを含み；
    Ｍ１は、酸化状態０より大きく４＋以下のニッケルであり、
    Ｍ２は、酸化状態０より大きく４＋以下の金属を含み、マンガンおよびチタンの１または２以上から選定され、
    Ｍ３は、酸化状態２＋のマグネシウムを含み、
    Ｍ４は、酸化状態０より大きく４＋以下の金属を含み、マンガンおよびチタンの１または２以上から選定され、
    式中、
    ０＜ａ＜１、
    ｖ＞０、
    ｗおよびｙの少なくとも一方は、＞０であり、
    ｘ＞０、
    ０＜ｃ≦０．１、
    式中、（ａ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙおよびｃ）は、電気的中性を維持するように選択される）
    を含む、ドープされたニッケル酸塩含有化合物。
  2. 以下：
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３２５Ｍｎ０．３２５Ｍｇ０．１６２５Ｔｉ０．１８７５Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２−ｃおよび
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２−ｃ
    から選択される、請求項１に記載のドープされたニッケル酸塩含有化合物。
  3. 請求項１または２に記載の１種または２種以上の化合物を含む、電気化学セル。
  4. 請求項３に記載の電気化学セルを使用する方法であって、Ｎｉ２＋からＮｉ４＋への酸化還元対に基づき正常な電圧限界内の電圧で電気化学セルをサイクルすることを含む、方法。
  5. 請求項１または２の１種または２種以上の化合物を含む、エネルギー貯蔵デバイス、バッテリ、再充電可能なバッテリ、電気化学デバイス、およびエレクトロクロミックデバイスから選択される、アプリケーションデバイス。
  6. 請求項１または２に記載の１種または２種以上のドープされたニッケル酸塩含有化合物を作製するためのプロセスであって、前記プロセスの間に実質的に完全に消費されるように、および所望のドープされたニッケル酸塩含有化合物を実質的に副反応生成物および／または未反応出発材料の非存在下で生成するように、正確な化学量論量で存在する好適な出発材料を含む反応混合物を加熱するステップを含む、プロセス。
  7. Ｎｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元対に基づく従来の理論比容量を超えて、１種または２種以上の式１の化合物を含む電気化学セルを充電するステップを含み、任意に充電プロセスの間に生成したガスを除去するために、得られた電気化学セルを脱気するステップをさらに含む、請求項１または２に記載のドープされたニッケル酸塩含有化合物を調製するプロセスであって、
    式１は、以下：
    Ａ’ａ’Ｍ１’ ｖ’Ｍ２’ ｗ’Ｍ３’ ｘ’Ｍ４’ ｙ’Ｍ５’ ｚ’Ｏ２ （式１）
    （式中、
    Ａ’は、ナトリウムまたはナトリウムが主要構成成分である混合アルカリ金属のいずれかを含み；
    Ｍ１’は、酸化状態２＋のニッケルであり、
    Ｍ２’は、酸化状態４＋の金属を含み、マンガンおよびチタンの１または２以上から選定され、
    Ｍ３’は、酸化状態２＋のマグネシウムを含み、
    Ｍ４’は、酸化状態４＋の金属を含み、マンガンおよびチタンの１または２以上から選定され、
    ０＜ａ’＜１；
    ０＜ｖ’＜０．５；
    ０＜ｗ’≦０．５；
    ０＜ｘ’＜０．５；
    ０≦ｙ’＜０．５；
    式中、ａ’、ｖ’、ｗ’、ｘ’およびｙ’は、電気的中性を維持するように全て選択される）
    として定義される、プロセス。
  8. 式１の化合物が、以下：
    Ｎａ０．９７５Ｎｉ０．３２５Ｍｎ０．３２５Ｍｇ０．１６２５Ｔｉ０．１８７５Ｏ２
    Ｎａ０．９５Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２
    Ｎａ０．９２５Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２、
    Ｎａ０．９Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２
    Ｎａ０．８５Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２
    を含む、請求項７に記載のプロセス。
  9. エネルギー貯蔵デバイス、バッテリ、再充電可能なバッテリ、電気化学デバイスおよびエレクトロクロミックデバイスから選択されるアプリケーションデバイスにおいてin situで電気化学セルを充電するステップを行う、請求項７に記載のプロセス。
  10. 以下：
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３０８Ｍｎ０．３０８Ｍｇ０．１５４Ｔｉ０．２２９Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３Ｍｎ０．３Ｍｇ０．１５Ｔｉ０．２５Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．２８３Ｍｎ０．２８３Ｍｇ０．１４２Ｔｉ０．２９２Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３２５Ｍｎ０．３２５Ｍｇ０．１６２５Ｔｉ０．１８７５Ｏ２−ｃ
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３１７Ｍｎ０．４６７Ｍｇ０．１Ｔｉ０．１１７Ｏ２−ｃおよび
    Ｎａ０．２Ｎｉ０．３１６７Ｍｎ０．３１６７Ｍｇ０．１５８３Ｔｉ０．２０８３Ｏ２−ｃ
    を含む、ドープされたニッケル酸塩含有化合物を調製するための、請求項７に記載のプロセス。
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