由於電動車（EV）的普及，蓄電池的重要性日益凸顯，開發性能優於當前鋰離子電池的新一代電池的工作也在不斷推進之中。儘管全固態電池和鈉離子電池嶄露頭角，但還存在成本問題以及反復充放電導致劣化等多個課題。日本鳥取大學的薄井洋行副教授正嘗試利用化妝品等中使用的便宜的「二氧化鈦」作爲負極材料來解決這些課題。
用作電池材料具有高性能的單晶二氧化鈦（左）
薄井副教授充滿自信地介紹了具有「金紅石型」晶體結構的二氧化鈦：「這是一種在安全、快速充放電和耐用性方面都非常優秀的材料」。 二氧化鈦常用於化妝品、防曬霜、肥皂等，這種材料也很適合用作蓄電池的電極材料。
二氧化鈦的價格約爲每公斤1000日元，比鋰離子電池負極的主要材料石墨每公斤1100日元價格略低，僅爲以安全和快速充放電特性著稱的鈦酸鋰（LTO）的十分之一。二氧化鈦已經確立的製造方法是將地球上廣泛分佈的鈦礦石溶解在硫酸中製造，因此在批量供應方面不存在問題。
薄井副教授研究出的二氧化鈦的特點是在晶活體內鋰離子和電子能夠快速行程，適合快速充放電用途。但二氧化鈦中根據晶體的類型不同，也有行程也很慢的晶體。薄井副教授發現，透過製成單個大塊晶體的「單晶」二氧化鈦，而不是由許多微晶體聚集而成的「多晶」二氧化鈦，可以加速鋰離子的運動。添加微量的其他元素也能促進電子的行程。研究還證實，用此材料製作的電池可長期充放電達數千次。
「單晶」二氧化鈦雖然有許多優點，但也有缺點，那就是電池中可儲存的能量只有石墨負極電池的70%左右。這是因爲電池的驅動電壓較低。儘管如此，還是收到了多家材料製造商和電池製造商的諮詢。今後，薄井副教授計劃與企業合作推進材料開發，並將其投入實際應用。
二氧化鈦不僅限於鋰離子電池的負極材料，還可應用於作爲下一代蓄電池而備受關注的全固態電池和鈉離子電池。
全固態電池根據固態電解質的類型分爲「硫化物類」和「氧化物類」。豐田汽車等正在開發的是用於車載的硫化物類。村田製作所等公司生產的氧化物類體積小且阻燃，目前正在探索如安裝在可穿戴設備的基底層上等新的用途。已知二氧化鈦與氧化物類全固態電池相容性較好。
製造氧化物類電池的瓶頸在於「燒結」程序。在連接電極和固態電解質時需要在約1000攝氏度的高溫下加熱。但問題在於這一程序中電極和電解質間的界面會發生不必要的化學反應，從而降低電池性能。
薄井副教授解釋說，二氧化鈦負極與玻璃態固態電解質的結合無需燒結程序，並且可以在室溫下成形。因此，有望抑制不必要的化學反應，提高電池性能。
在鈉離子電池的研究中也取得了成果。出於對鋰資源供應的擔憂而受到關注的鈉離子電池透過使用可以從海洋中廉價提取到的鈉，可以降低原材料成本。然而，由於鈉離子比鋰離子大，因此很難在固態晶體結構中行程，並且適合的負極材料也較少。
研究證實，將二氧化鈦應用於鈉離子電池的負極時，可以循環充放電1000次以上。關鍵是在二氧化鈦中混合少量的銅、鈮元素。這樣做可以讓電子更容易透過，拓寬離子的擴散路徑，從而使鈉離子擴散到整個材料中。
用於化妝品等爲人們所熟知的材料，是否可以促進下一代電池的產業化，將是今後的關注要點。
日文：土屋丈太、《日經產業新聞》、2023/10/2
中文：JST客觀日本編輯部
