次世代蓄電池の負極材料に「酸化チタン」を適用：微量の不純物添加で性能を最大化

鳥取大学の研究グループは、化粧品などに用いられている「酸化チタン」を改良すれば、次世代蓄電池の負極材料に適用できることを確認した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池、固体電池にも対応

　鳥取大学工学部の薄井洋行准教授と道見康弘准教授、坂口裕樹教授らによる研究グループは2023年10月、化粧品などに用いられている「酸化チタン（TiO₂）」を改良すれば、次世代蓄電池の負極材料に適用できることを確認したと発表した。

　TiO₂は、結晶構造の隙間にLi⁺やNa⁺などのイオンを吸蔵することで充電が可能となる。ただ、ルチル型TiO₂は「電子伝導性が低い」など課題もあり、十分な負極性能が得られなかったという。そこで今回は、ルチル型TiO₂における課題解決に取り組んだ。

酸化チタンの粉末［クリックで拡大］ 出所：鳥取大学

ルチル型TiO₂の結晶構造［クリックで拡大］ 出所：鳥取大学

　研究グループはまず、TiO₂に微量のニオブ（Nb）や銅（Cu）といった不純物元素を添加するとともに、酸素欠損を導入して「電子伝導性の低さ」を解決した。Tiに比べてサイズが大きい不純物元素を添加したことで、イオンの通り道を広げた。

　また、棒状の形状を短くし単結晶化することで、イオンは結晶粒界で遮られなくなり、充放電容量が増加することを確認した。さらに、ナノ粒子化や多孔質化によってイオンとの反応面積が大幅に増え、高速で充放電が可能なことも明らかになった。これらの研究成果により、結晶構造から粒子形状まで、全ての材料化学要素を最適化し、負極性能を最大化するための方法を確立できたという。

ルチル型TiO₂の負極性能を最大化する方法［クリックで拡大］ 出所：鳥取大学

　リチウムイオン電池において、ルチル型TiO₂は「安全性」や「高速充放電」「耐久性」を備えた負極材料である。特に、不純物元素を添加したTiO₂は、36秒という短い時間で充電が可能な高速充放電の環境下においても、従来の負極（Li₄Ti₅O₁₂）を上回る特性を示すことが分かった。2万回の充放電を繰り返しても、開発した負極は性能を維持できたという。

　今回の研究では、ナトリウムイオン電池にもルチル型TiO₂が適用できることを実証した。これまで、Li⁺よりもサイズの大きいNa⁺は、固体の結晶構造中を動きにくいという課題があった。今回は、不純物元素を添加したことでNa⁺が移動しやすくなり、TiO₂のNa吸蔵−放出量が増加することを確認した。

　さらに、ルチル型TiO₂は、酸化物系固体電池の負極として充放電できることを確認した。

左はさまざまな不純物元素を添加したルチル型TiO₂を用いて評価した、負極の高速充放電性能。右はナトリウムイオン電池における、不純物を添加したTiO₂負極の充放電性能［クリックで拡大］ 出所：鳥取大学

　研究グループは今後、2種類の不純物元素を添加するなど、より高度な研究に取り組みながら、実用化に向けた蓄電池用TiO₂の開発を進めていく。今回の研究成果を基に、太陽光で充電可能な新しい蓄電池の研究も視野に入れている。