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米国では、高容量リチウム電池のグラファイト陽極を塩素ドープチタン酸リチウムに置き換えている。

チタン酸リチウムナノフラワー（ブルックヘブン国立研究所）

リチウム電池の動作原理は、充電時にはリチウムイオンが正極（カソード）と負極（アノード）の間を移動し、放電時にはリチウムイオンが逆方向に移動します。現在、スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車などに使用されているリチウム電池は、一般的にグラファイトアノードを使用しています。充電時にはリチウムイオンがグラファイトアノードに挿入され、使用時にはリチウムイオンがバッテリーから放出されます。

 

グラファイトは数百、あるいは数千回の充放電サイクルに耐えることができますが、エネルギー集約型の用途には十分な容量を蓄えることができません。例えば、電気自動車の航続距離は十分ではありません。さらに、グラファイトは高レート（高出力）での充放電ができません。そのため、科学者たちは代替の負極材料を探してきました。

 

チタン酸リチウム（LTO）は、リチウム、チタン、酸素からなる有望な負極材料です。高レート充放電特性に加え、LTOは優れたサイクル安定性と、リチウムイオンを収容するのに十分な空間（大容量）を備えています。しかし、LTOの導電性が低いため、材料中におけるリチウムイオンの拡散速度が遅くなる可能性があります。

 

海外メディアの報道によると、ストーニーブルック大学材料科学・化学工学部の非常勤講師兼化学准教授であるエイミー・マルシロク氏は、純粋なLTOの利用可能な容量は中程度だが、電力を迅速に伝送することはできないと述べた。マルシロク氏は、米国エネルギー省の学際的部門であるブルックヘブン国立研究所のメソスケール輸送特性センター副所長、エネルギー貯蔵部門マネージャー、および科学者も務めている。また、高速バッテリー材料は、数分以内に急速なエネルギー貯蔵を必要とする電気自動車、ポータブル電動工具、非常用電源システムなどの用途にとって非常に魅力的であると述べた。

 

マルシロク氏は、2014年からLTOの研究に協力しているブルックヘブン国立研究所ストーニークリークチームのメンバーでもある。最近の研究では、チームはドーピングプロセスを通じてLTOに塩素を追加し、その容量を12%増加させた。

 

石渓大学化学部の優れた教授であり、学生研究チームの重要な研究者でもあるスタニスラウス・ウォン氏は、制御されたドーピングプロセスによって材料の電子的および構造的特性を変化させることができると述べています。私のチームでは、化学的な知識を用いて、好ましい構造特性相関の設計を導くことに興味を持っています。LTOに関しては、ドーピングされた原子を添加することで導電性が向上し、格子が拡張され、リチウムイオン輸送チャネルが広がります。科学者たちは様々な種類のドーパントを試験してきましたが、塩素についてはあまり研究されていません。

 

塩素ドープLTOを製造するために、研究チームは水熱合成と呼ばれる溶液法を用いました。水熱合成プロセスでは、科学者たちは関連する前駆体（目的の生成物を生成するために用いられる反応物質）を含む溶液を水に加え、密閉容器に入れて、比較的適度な温度と圧力で一定時間放置しました。今回は、実験規模を拡大するために、従来の反応で使用されていた固体のチタン箔ではなく、液体のチタン前駆体を選択しました。純粋なLTOと塩素ドープLTOを36時間水熱合成した後、科学者たちは追加の化学処理工程を施し、必要な物質を分離しました。研究チームはまた、ブルックヘブン国立研究所の機能ナノ材料センター（CFN）の電子顕微鏡施設において、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた画像化研究を実施し、両サンプルとも花形のナノ構造を有することを発見しました。これは、化学処理プロセスが材料の元の構造を損傷していないことを示しています。

 

ウォン氏は、私たちの新しい合成法は、高速で均一かつ効率的な反応を促進し、このような3Dナノフラワーの大規模生産を可能にすると述べました。この独自の構造は大きな表面積を持ち、中心から放射状に広がる花びらによって、リチウムイオンが材料に侵入するための複数の経路が確保されています。

 

科学者たちは、塩素、リチウム、前駆体の濃度、前駆体の純度、そして反応時間を変化させることで、高結晶ナノ材料を生成するための最適な条件を発見しました。最適化されたサンプルを用いて複数の電気化学試験を実施した結果、塩素ドープLTOは30分間の高レート放電において大きな利用可能容量を示し、この性能は100回以上の充放電サイクルを経ても維持されることが分かりました。

 

性能向上の理由を理解するため、研究チームは計算理論を用いて、塩素ドーピングによって引き起こされる構造および電子的変化をモデル化しました。塩素ドーピングされたLTOの最も安定した幾何学的構造を計算したところ、塩素はLTO構造中の酸素の位置を置換することを好むことが分かりました。

 

研究チームは次に、3Dナノフラワーの形状がリチウムイオン輸送にどのような影響を与えるかを調査する予定です。さらに、リチウムイオン輸送を改善するために、原子レベルのアノードとカソードの代替材料も検討しています。