米乐m6官方网站[所长：吉川博之]（以下简称“AIST”）能源技术研究部[所长：小和田野义郎]首席研究员周浩申及其同事发现了一种在三个维度上规则排列的纳米级微管结构结晶金属氧化物复合纳米多孔材料锂二次电池的电极（负极），与以往的锂二次电池达到同等水平能量密度功率密度提高了两个数量级以上。
作为一种高效、清洁的能源，由燃料电池和二次电池驱动的电动汽车（EV）正在全球范围内不断发展。锂二次电池一方面具有恒速运行所需的长期可持续能量容量（能量密度），但另一方面难以产生启动等所需的大瞬时输出。因此，希望实现既能提供大瞬时功率（功率密度）又可提供长期可持续能量容量（能量密度）的蓄电装置。
为了同时实现高能量密度和高功率密度，双电层电容器和赝电容电容器超级电容器)和提高锂二次电池本身功率密度的方法，这两种方法过去都曾尝试过，但没有成功地显着提高性能的例子。
AIST最近基于新的想法开发了一种结晶金属氧化物复合纳米多孔材料（TiO）来解决这个问题。2-P2O5)（2004年2月4日，AIST新闻稿）用作锂二次电池的电极（负极），锂离子（Li+）和电解质在电极内部移动，以及锂离子（Li+)吸附到具有巨大表面积的微管上，我们开发了超级电容器功能，并证明在保持与传统锂二次电池相同的能量密度的同时，功率密度提高了两个数量级以上。此外，这个（TiO2-P2O5)的充电和放电特性。
未来，我们计划对该材料进行大规模合成技术和降低成本的研发，以推进其实际应用。
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图为同时具有离子传输路径和电子传导路径的具有三维规则排列的纳米尺寸微管结构的结晶金属氧化物复合纳米多孔材料作为电极材料的图像（示意图）
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*此研究成果发表在德国科学期刊上Angewandte Chemie 国际版网站。
使用燃料电池或二次电池作为动力源的电动汽车（EV）作为一种高效、清洁的能源，可减少导致全球变暖的二氧化碳排放量，其开发在全球范围内十分活跃。然而，如果使用具有低瞬时功率(功率密度)的燃料电池或二次电池作为唯一动力源，则难以获得足够的加速和爬山性能。为此，需要安装辅助电源并显着提高燃料电池或二次电池本身的功率密度。如果开发出兼具高功率密度和高能量密度的二次电池等蓄电装置，除了电动汽车外，有望应用于工业机器人、护理机器人、笔记本电脑、手机等多种尖端技术领域，未来市场预计巨大。
使用高表面积碳纤维作为电极的双电层电容器被称为高功率密度电力存储装置。双电层电容器是一种通过将电解液中的离子物理吸附和脱附到电极来存储电荷的系统，由于不涉及化学反应，因此充放电速度快，但能量密度低。双电层电容器的能量密度为1Wh/kg，功率密度约为1kW/kg，如果要应用到电动汽车上，需要将能量密度和功率密度提高一个数量级以上。
最近，为了同时实现高能量密度和高功率密度，已经研究了除了提高双电层电容器的能量密度之外的方法。这是一种通过电化学反应，在能量密度方面具有压倒性优势的二次电池电极材料表面形成赝电容（通过氧化和还原储存离子）的方法，从而实现二次电池优异的能量密度特性和超级电容器的大功率密度特性。由于这种赝电容是离子在电极表面的化学吸附/解吸反应，因此可以实现快速充电/放电速率并具有巨大的能量密度，使其成为汽车蓄电设备的理想特性。然而，由于具有微管结构的多孔电极的开发缺乏进展，这种电力存储装置尚未实现。
○晶态金属氧化物复合纳米多孔材料的开发及其应用
AIST正在从新的想法出发，取代传统的想法模板（模具）通过合成方法合成金属氧化物时，有机金属化合物（磷酸三乙酯[PO(OC2H5）3])，结晶金属氧化物复合纳米多孔材料(TiO2-P2O5）[见图1]，我们还在形成微管结构的壁材料（框架）中添加了导电氧化铜（CuO）和氧化锡（SnO2)涂料具有电子导电性的多晶金属氧化物复合纳米多孔材料(TiO2-P2O5-CuO 和 TiO2-P2O5-SnO2) 也已成功合成（AIST 新闻稿，2004 年 2 月 4 日）。
产业技术研究院通过将这些结晶性金属氧化物复合纳米多孔材料用作锂二次电池的电极（负极），可实现锂离子（Li+）和电解质在电极内部移动，以及锂离子（Li+)吸附到具有巨大表面积的微管中，我们开发了超级电容器功能，并证明在保持与传统锂二次电池相同的能量密度的同时，功率密度提高了两个数量级以上。此外，这个（TiO2-P2O5)的纳米通道的骨架添加电子传导功能，可以进一步改善充电和放电特性。
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图1 具有三维结构的微晶TiO2-P2O5纳米多孔粉末的透射电子显微照片
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○结晶金属氧化物复合纳米多孔材料（TiO）2-P2O5)电池特性评估
结晶金属氧化物复合纳米多孔材料（TiO2-P2O5)作为锂二次电池的电极(负极)，评价其特性。结晶金属氧化物复合纳米多孔材料（TiO2-P2O5)，玻璃相 P2O5是锂离子 (Li+)，主要成分为锐钛矿型TiO2（二氧化钛的结晶形式）是锂离子（Li+)活性材料锐钛矿型二氧化钛2为165mAh/克。但01A/g电流密度的恒流充放电能力远远超过了这个最大理论容量，达到了370mAh/g，这是可以可逆充电和放电的容量[见图2中的黑线]。这是锂离子 (Li+) 锐钛矿型 TiO22-P2O5) 锂离子 (Li+)被化学吸附，这种吸附特性就是超级电容器发挥作用的机制。这样可以同时实现氧化还原能力和吸附能力，而常规锐钛矿型TiO2高得多。
此外，不仅容量（相当于能量密度）显着增加，功率密度也增加了约两个数量级。即使充放电电流密度（相当于功率密度）从01A/g提升两位数至10A/g，充放电仍高达约270mAh/g容量密度（相当于能量密度）保持不变[见图2中的红线]。循环特性（反复充放电的耐久性）也得到改善，以10A/g的电流密度充放电时，电池第200次循环容量为195mAh/g，第800次循环容量为160mAh/g。
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| 图2 结晶金属氧化物复合纳米多孔TiO2-P2O5材料的恒流充放电特性 |
○多组分晶态金属氧化物复合纳米多孔材料（TiO）2-P2O5-CuO 和 TiO2-P2O5-SnO2)电池特性评估
此外，玻璃相P存在于结晶金属氧化物复合纳米多孔材料的骨架中2O5具有电子导电性的功能物质CuO或SnO2的多晶金属氧化物复合纳米多孔材料(二氧化钛2-P2O5-CuO 和 TiO2-P2O5-SnO2)电池特性。由于电子传导性提高，因此确认即使在更高的电流密度（相当于功率密度）下也能够维持高充放电容量密度（相当于能量密度）。例如，在20A/g的电流密度下，TiO2-P2O5充放电容量密度为60mAh/g[见图3下图绿线]，而TiO具有电子传导路径2-P2O5-SnO2为 190mAh/g [参见下图 3 中的蓝线]，以及 TiO2-P2O5-CuO为265mAh/g[参见图3下部的红线]。即使在 50A/g 的较高电流密度下，新开发的材料 (TiO2-P2O5-SnO2)仍然具有130mAh/g的大容量[见图3顶部的黑线]。
如果用这种结晶金属氧化物复合纳米多孔材料作为负极，与4V级正极材料（钴酸锂等）组合形成实用电池，可以说，新开发的结晶金属氧化物复合纳米多孔材料已经实现了电动汽车用储能器件的发展目标（假设双电层电容器应用到电动汽车上，需要提高能量密度（常规为1 Wh/kg）和功率密度（常规为1Wh/kg）。 1 kW/kg）超过一个数量级）[见图 4]。
 图3纳米多孔微晶金属氧化物(TiO2)-玻璃相无机氧化物(P2O5)-异种金属氧化物(CuO和SnO2)的恒流充放电特性
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图4结晶金属氧化物纳米多孔材料的能量密度和功率密度的定位
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AIST 开发了一种结晶金属氧化物复合纳米多孔材料（具有纳米通道的 TiO2-P2O5,二氧化钛2-P2O5-CuO, TiO2-P2O5-SnO2)应用于锂二次电池的电极（负极），与使用传统材料的锂二次电池相比，我们证明了功率密度的显着提高，并证实可以实现作为电动汽车用蓄电装置所需的性能。为了推进其未来的实际应用，该材料的大规模合成技术和成本降低将是问题。另外，市售的锂二次电池使用钴酸锂(LiCoO2），碳通常用于负极，最近使用磷酸铁锂（LiFePO4)也引起了人们的关注。我们也计划尝试将纳米通道结构引入这些低成本材料中。
具有纳米通道的结晶金属氧化物复合纳米孔材料此次不仅将应用于锂二次电池的电极，未来还将通过结合各种金属氧化物的电子和化学功能以及纳米孔结构的分子尺寸筛分功能来应用湿式太阳能电池，它还可以应用于传感器、燃料电池等各种设备，我们正在考虑在各个领域的应用。