由于电动汽车（EV）的普及，蓄电池的重要性日益凸显，开发性能优于当前锂离子电池的新一代电池的工作也在不断推进之中。尽管全固态电池和钠离子电池崭露头角，但还存在成本问题以及反复充放电导致劣化等多个课题。日本鸟取大学的薄井洋行副教授正尝试利用化妆品等中使用的便宜的“二氧化钛”作为负极材料来解决这些课题。
用作电池材料具有高性能的单晶二氧化钛（左）
薄井副教授充满自信地介绍了具有“金红石型”晶体结构的二氧化钛：“这是一种在安全性、快速充放电和耐用性方面都非常优秀的材料”。 二氧化钛常用于化妆品、防晒霜、肥皂等，这种材料也很适合用作蓄电池的电极材料。
二氧化钛的价格约为每公斤1000日元，比锂离子电池负极的主要材料石墨每公斤1100日元价格略低，仅为以安全性和快速充放电特性著称的钛酸锂（LTO）的十分之一。二氧化钛已经确立的制造方法是将地球上广泛分布的钛矿石溶解在硫酸中制造，因此在批量供应方面不存在问题。
薄井副教授研究出的二氧化钛的特点是在晶体内锂离子和电子能够快速移动，适合快速充放电用途。但二氧化钛中根据晶体的类型不同，也有移动也很慢的晶体。薄井副教授发现，通过制成单个大块晶体的“单晶”二氧化钛，而不是由许多微晶体聚集而成的“多晶”二氧化钛，可以加速锂离子的运动。添加微量的其他元素也能促进电子的移动。研究还证实，用此材料制作的电池可长期充放电达数千次。
“单晶”二氧化钛虽然有许多优点，但也有缺点，那就是电池中可储存的能量只有石墨负极电池的70%左右。这是因为电池的驱动电压较低。尽管如此，还是收到了多家材料制造商和电池制造商的咨询。今后，薄井副教授计划与企业合作推进材料开发，并将其投入实际应用。
二氧化钛不仅限于锂离子电池的负极材料，还可应用于作为下一代蓄电池而备受关注的全固态电池和钠离子电池。
全固态电池根据固体电解质的类型分为“硫化物类”和“氧化物类”。丰田汽车等正在开发的是用于车载的硫化物类。村田制作所等公司生产的氧化物类体积小且阻燃，目前正在探索如安装在可穿戴设备的基板上等新的用途。已知二氧化钛与氧化物类全固态电池兼容性较好。
制造氧化物类电池的瓶颈在于“烧结”过程。在连接电极和固体电解质时需要在约1000摄氏度的高温下加热。但问题在于这一过程中电极和电解质间的界面会发生不必要的化学反应，从而降低电池性能。
薄井副教授解释说，二氧化钛负极与玻璃态固体电解质的结合无需烧结过程，并且可以在室温下成形。因此，有望抑制不必要的化学反应，提高电池性能。
在钠离子电池的研究中也取得了成果。出于对锂资源供应的担忧而受到关注的钠离子电池通过使用可以从海洋中廉价提取到的钠，可以降低原材料成本。然而，由于钠离子比锂离子大，因此很难在固态晶体结构中移动，并且适合的负极材料也较少。
研究证实，将二氧化钛应用于钠离子电池的负极时，可以循环充放电1000次以上。关键是在二氧化钛中混合少量的铜、铌元素。这样做可以让电子更容易通过，拓宽离子的扩散路径，从而使钠离子扩散到整个材料中。
用于化妆品等为人们所熟知的材料，是否可以促进下一代电池的产业化，将是今后的关注要点。
日文：土屋丈太、《日经产业新闻》、2023/10/2
中文：JST客观日本编辑部
