リチウムイオン電池の新たな可能性を拓くTiNb2O7の研究成果

研究の背景

再生可能エネルギーへの需要が高まる中、エネルギーを安全かつ効率的に貯蔵する技術の向上が急務となっています。特にリチウムイオン電池（LIB）は、その性能と安全性から広く利用されていますが、大型化する際の安全リスクが問題視されています。これを解決するために、炭素系材料に代わる新しい負極材料として、遷移金属酸化物が注目を集めています。

TiNb2O7の特性

Wadsley–Roth相を形成するTiNb2O7（TNO）は、リチウムイオンの移動がスムーズな構造を持ちながら、優れた理論容量387 mAh/gを示します。しかし、原子の配列が放電特性に与える影響については明らかにされていませんでした。そこで、東京理科大学を中心とする研究チームは、TNOの構造解析と電気化学特性との関係を探求することにしました。

研究方法

研究グループは、中性子・X線全散乱測定とパーシステントホモロジーによるトポロジー解析を使用してTNOの負極特性を評価しました。3種類のサンプル（未処理、ボールミル処理、熱処理）を比較し、それぞれの構造や特性を詳細に調査しました。特に、ボールミル処理により粒子サイズが小さくなり、ネットワーク構造が乱れることが発見されました。

結果と意義

- 粒子サイズと特性の関連性: 網のような構造が保たれた熱処理サンプルは、他のサンプルに比べて初期放電容量が最も高いことが分かりました。これから、粒子サイズの最適化が特性向上に直結することが示されました。
- トポロジー解析の重要性: パーシステントホモロジー解析により、原子が形成する穴（リング）の形状がリチウムイオンの移動に与える影響が明らかになりました。特に、歪みのない構造の方が効率的にリチウムイオンが移動できると示唆されています。