チタン酸リチウムランタン粒子は、マイクロメートルサイズでも高出力密度を可能にします– NatureCommunicationsでの公開

元々はカールスルーエ工科大学（KIT）で公開されました

中国の長春にあるカールスルーエ工科大学（KIT）と吉林大学の研究者は、将来の高性能電池用の非常に有望なアノード材料であるペロブスカイト結晶構造を持つチタン酸ランタンリチウム（LLTO）を調査しました。チームがNatureCommunicationsジャーナルで報告したように、LLTOは、粒子サイズをマイクロスケールからナノスケールに縮小することなく、バッテリーのエネルギー密度、電力密度、充電率、安全性、およびサイクル寿命を改善できます。 （DOI：10.1038 / s41467-020-17233-1）

持続可能なエネルギー供給を確保するスマートグリッドの必要性の高まりに伴い、電気自動車の需要が高まっています。これらおよびその他のモバイルおよび固定テクノロジーには、適切なバッテリーが必要です。可能な限り最小のスペースに可能な限り多くのエネルギーを最小の重量で保存–リチウムイオン電池（LIB）は、この要件を最もよく満たします。この研究は、これらのバッテリーのエネルギー密度、電力密度、安全性、およびサイクル寿命を改善することを目的としています。ここでは、電極材料が非常に重要です。リチウムイオン電池のアノードは、集電体とそれに適用される活物質で構成され、化学結合の形でエネルギーを蓄えます。ほとんどの場合、活物質としてグラファイトが使用されます。ただし、グラファイト製の負極は充電率が低くなります。さらに、それらは安全性の問題に関連しています。代替活物質の中で、チタン酸リチウム（LTO）はすでに商品化されています。 LTOを備えた負極は、充電率が高く、グラファイト製の電極よりも安全であると考えられています。欠点は、チタン酸リチウム酸化物を使用したリチウムイオン電池のエネルギー密度が低くなる傾向があることです。

下：図1：準備​​されたままのLLTOの構造特性。

From：リチウムイオン電池のアノードとしてのチタン酸リチウムランタンペロブスカイト

概略結晶構造; b粉末XRDに基づくリートベルト解析。 c [100]ゾーン軸に沿ったLLTOペロブスカイトの大面積HAADF画像。スケールバー：5 nm; dLLTOのHAADF-STEM画像。スケールバー：2 nm; eABF-STEM画像; fHAADF-STEMの倍率。 gABF-STEMの倍率。 eとgの緑、青、赤のボールは、それぞれLa、Ti、Oの原子を表しています。

KITの応用材料エネルギー貯蔵システム研究所（IAM-ESS）の責任者であるHelmut Ehrenberg教授の周りのチームは、もう1つの非常に有望なアノード材料であるペロブスカイト結晶構造を持つチタン酸ランタンリチウム（LLTO）を調査しました。長春（中国）の吉林大学や中国とシンガポールの他の研究機関の科学者と共同で実施された研究によると、LLTOアノードは市販のLTOアノードと比較して電極電位が低く、より高いセル電圧が可能です。そしてより高い容量。

セル電圧とストレージ容量は、最終的にバッテリーのエネルギー密度を決定します」とエーレンバーグは説明します。 「将来的には、LLTOアノードを使用して、サイクル寿命の長い特に安全な高性能セルを構築する可能性があります。」

この研究は、電気化学貯蔵の研究プラットフォームであるCELEST（Center for Electrochemical Energy Storage Ulm＆Karlsruhe）の研究に貢献しています。これは、POLiSエクセレンスクラスターも含む世界最大のバッテリー研究プラットフォームの1つです。

エネルギー密度、電力密度、安全性、サイクル寿命に加えて、充電率は、要求の厳しいアプリケーションへのバッテリーの適合性を決定するもう1つの要素です。原則として、最大放電電流と最小充電時間は、固体内と電極と電解質材料の間の界面の両方でのイオンと電子の輸送に依存します。充電速度を改善するために、電極材料の粒子サイズをマイクロスケールからナノスケールに縮小するのが一般的な方法です。 KITの研究者とその協力パートナーによってNatureCommunicationsジャーナルに発表されたこの研究は、ペロブスカイト構造のLLTOの数マイクロメートルのサイズの粒子でさえ、LTOナノ粒子よりも高い電力密度と優れた帯電率を特徴とすることを示しています。研究チームは、これをLLTOのいわゆる疑似容量に起因すると考えています。個々の電子がこのアノード材料に付着しているだけでなく、弱い力によって結合され、電荷をアノードに可逆的に移動できる荷電イオンもあります。 「より大きな粒子のおかげで、LLTOは基本的に、より単純で費用効果の高い電極製造プロセスを可能にします」とエーレンバーグは説明します。

元の出版物（オープンアクセス）：

Lu Zhang、Xiaohua Zhang、Guiying Tian、Qinghua Zhang、Michael Knapp、Helmut Ehrenberg、Gang Chen、Zexiang Shen、Guochun Yang、Lin Gu＆Fei Du：リチウムイオン電池のアノードとしてのチタン酸リチウムランタンペロブスカイト。 Nature Communications、2020年。DOI：10.1038 / s41467-020-17233-1

注目の画像：チタン酸ランタンリチウムのペロブスカイト結晶構造の概略図。 （イラスト：フェイドゥ/吉林大学）

その他の資料：

Nature Communicationsでの出版：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1

KITエネルギーセンターの好意によるプレス