东京理科大学
名古屋工业大学
冈山大学
岛根大学
◆研究要旨和要点
- Wadsley–Roth相的TiNb2O7作为具有优异放电容量和安全性的锂离子电池负极材料而备受瞩目。
- 本研究通过中子·X射线全散射测量和拓扑分析，明确了TiNb2O7的网络结构和电化学特性的相关性。
- 本研究成果的进一步发展，有望作为取代碳系材料的新型锂离子电池负极材料，为实现锂离子电池的大型化做出贡献。
【研究概要】
东京理科大学创域理工学部先端化学科的北村尚斗副教授、石桥千晶助教、井手本康教授、东京理科大学研究生院创域理工学研究科尖端化学专业的松原晖研究生（研究当时，2022年度硕士课程毕业）、名古屋工业大学物理工学类的木村耕治助教、林好一教授、冈山大学AI·数理数据科学中心的大林一平教授、岛根大学材料能学部材料能学科的中岛健助教等人的共同研究小组，通过中子·X射线全散射测量和拓扑分析，分析了Wadsley-Roth相TiNb2O7晶体的原子排列，明确了影响负极特性的因素。
近年来，作为车辆用锂离子电池的负极材料，形成Wadsley-Roth相的TiNb2O7(TNO)备受瞩目。TNO在结晶中，锂离子有可以比较自由移动的空隙，可以高速进行离子输送，因此作为能量储藏材料非常有用。另一方面，关于原子排列和负极特性的详细情况仍不明。因此本研究小组为明确TNO的结构和负极特性的相关性，进行了基于中子·X射线全散射测量和拓扑分析。
此次，准备了前处理不同的3种试样TNO（未处理）、TNO（球磨机处理）、TNO（热处理）。通过全散射测量和扫描型电子显微镜（SEM）等的分析，确认了球磨机处理，粒子尺寸变小的同时网络构造（中距离构造）混乱，通过热处理，其混乱会恢复。关于负极特性，粒子尺寸小，形成有序结构的TNO（热处理）初期放电容量，容量维持率都是最好的。根据拓扑分析的结果，结晶中的原子形成的孔（环）中，由4组离子对构成的没有变形环也有助于锂离子的移动。
本研究揭示了负极特性与结构的相关性，同时也暗示了通过优化样品预处理，可以控制晶体拓扑结构的可能性。结合中子·X射线全散射测量和拓扑分析来评价中距离结构的方法，被证明对提高电极特性是有用的。
本研究成果于2024年12月10日在线刊登在国际学术杂志《NPG Asia Materials》上。
■论文信息
杂志名： NPG Asia Materials
论文题目： Relationship between Network Topology and Negative Electrode Properties in Wadsley–Roth Phase TiNb2O7
作者： Naoto Kitamura, Hikari Matsubara, Koji Kimura, Ippei Obayashi, Yohei Onodera, Ken Nakashima, Hidetoshi Morita, Motoki Shiga, Yasuhiro Harada, Chiaki Ishibashi, Yasushi Idemoto, Koichi Hayashi
DOI： 10.1038/s41427-024-00581-5
【研究资助】
本研究是在日本学术振兴会（JSPS）科研经费学术变革领域研究（A）超秩序构造科学创造的物性科学（20H05880, 20H05881, 20H05884）、国际共同研究加速基金（19KK0068）的资助下实施的。
＜详细研究内容＞
阐明金属氧化物晶体中网络结构紊乱会降低电池的负极特性～有助于提高锂离子电池的放电容量和安全性～
【发表者・研究者等信息】
东京理科大学 创域理工学部 先端化学科
北村 尚斗 副教授
石桥 千晶 助教
井手本 康 教授
东京理科大学研究生院 创域理工学研究科 先端化学专业
松原 晖 研究生（研究当时、2022年度硕士课程毕业）
名古屋工业大学 物理工学类
木村 耕治 助教
林 好一 教授
冈山大学 AI・数理数据科学中心
大林 一平 教授
岛根大学 材料能学部 材料能学科
中岛 健 助教
【关于研究咨询窗口】
东京理科大学 创域理工学部 先端化学科 北村 尚斗 副教授
TEL: 04-7122-9495
Fax: 04-7123-9890
【报道・宣传相关咨询窗口】
东京理科大学 经营企画部 宣传课
TEL：03-5228-8107 FAX：03-3260-5823
名古屋工业大学 企画宣传课
TEL：052-735-5647
冈山大学 总务・企画部 宣传课
TEL：086-251-7292 FAX：086-251-7294
岛根大学 企画部 企画宣传课 宣传小组
TEL：0852-32-6603 FAX：0852-32-6630