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電気自動車（EV）産業が成長するにつれて、その動力となる高品質のリチウムイオン電池の研究開発も進んでいます。急速充放電技術の研究と拡張、およびバッテリー寿命の延長が開発における重要な課題です。
電極と電解質の界面特性、リチウムイオンの拡散、電極の多孔性などのいくつかの要因は、これらの問題を克服し、高速充電と寿命の延長を実現するのに役立ちます。
過去数年にわたり、二次元 (2D) ナノ材料 (数ナノメートルの厚さのシート構造) が、リチウムイオン電池の潜在的な負極材料として浮上してきました。これらのナノシートは活性サイト密度が高く、アスペクト比が高いため、急速充電と優れたサイクル特性に貢献します。
特に、遷移金属二ホウ化物 (TDM) をベースとした二次元ナノ材料は科学界の注目を集めました。ホウ素原子と多価遷移金属のハニカム面のおかげで、TMD はリチウムイオン貯蔵サイクルの高速性と長期安定性を示します。
現在、北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）の松見典義教授とインド工科大学（IIT）ガンディナガル校のカビール・ジャスジャ教授が率いる研究チームは、TMD貯蔵の実現可能性をさらに探求する研究に取り組んでいる。
同グループは、リチウムイオン電池の負極材料として二ホウ化チタン（TiB2）階層型ナノシート（THNS）を貯蔵することに関する初のパイロット研究を実施した。チームには、元JAIST上級講師のRajashekar Badam氏、JAIST技術専門家の東民功一氏、元JAIST大学院生のAkash Varma氏、IITガンディナガル学生のAsha Lisa James博士が含まれていました。
研究の詳細は ACS Applied Nano Materials に掲載され、2022 年 9 月 19 日にオンラインで入手できるようになります。
TGNS は、過酸化水素による TiB2 粉末の酸化、その後の溶液の遠心分離および凍結乾燥によって得られました。
私たちの研究を際立たせているのは、これらの TiB2 ナノシートを合成するために開発された方法の拡張性です。ナノマテリアルを具体的なテクノロジーに変えるには、拡張性が制限要因になります。当社の合成方法は撹拌のみを必要とし、高度な設備は必要ありません。これは、TiB2 の溶解および再結晶挙動によるものであり、これは偶然の発見であり、この研究が研究室から現場への有望な橋渡しとなるものです。
その後、研究者らはTHNSをアノード活物質として使用するアノードリチウムイオン半電池を設計し、THNSベースのアノードの電荷蓄積特性を調査した。
研究者らは、THNS ベースのアノードが、わずか 0.025 A/g の電流密度で 380 mAh/g という高い放電容量を有することを知りました。さらに、1A/gの高電流密度で174mAh/gの放電容量、89.7%の容量維持率、および1000サイクル後の充電時間10分が観察されました。
さらに、THNS ベースのリチウムイオン負極は、約 15 ～ 20 A/g の非常に高い電流に耐えることができ、約 9 ～ 14 秒で超高速充電が可能です。高電流では、10,000 サイクル後の容量保持率は 80% を超えます。
この研究の結果は、2D TiB2 ナノシートが急速充電の長寿命リチウムイオン電池に適した候補であることを示しています。また、優れた高速性能、擬似容量性電荷蓄積、優れたサイクル性能などの好ましい特性を実現する TiB2 などのナノスケール バルク材料の利点も強調しています。
この急速充電技術により、電気自動車の普及が加速し、さまざまなモバイル電子機器の充電待ち時間が大幅に短縮されます。私たちは、今回の結果がこの分野でのさらなる研究のきっかけとなり、最終的にはEVユーザーに利便性をもたらし、都市の大気汚染を軽減し、移動生活に伴うストレスを軽減し、それによって社会の生産性を向上させることができることを期待しています。
研究チームは、この注目に値する技術が近いうちに電気自動車やその他のエレクトロニクスに使用されることを期待しています。
ヴァルマ、A.、他。(2022) リチウムイオン電池のアノード材料としての二ホウ化チタンをベースとした階層型ナノシート。ナノマテリアルACSを適用。doi.org/10.1021/acsanm.2c03054。
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