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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。

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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
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
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
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。

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 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。

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