21세기, 깨끗한 그린 에너지 개발에 보다 효율적인 배터리 기술이 필요하다. 이것을 달성하는 열쇠를 쥐고 있는 것은 하향식 설계 및 구축이 아니라 나노 스케일에서 시작하는 상향식 방법이다. 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)와 시카고 대학(University of Chicago)의 연구팀은 사용할수록 자신의 전기 화학적 성능을 실제로 향상시키는 이산화 티타늄 (TiO2) 전극의 개발에서 상향식 접근법을 이용하였다.
연구팀은 TiO2 나노튜브를 합성하고 이를 리튬 이온 (Li-ion) 동전 전지에 포함하여 0.8V ~ 2.0V 사이에서 전류를 방전시켰다. 그리고 Argonne 연구소에 있는 미국 에너지 부(Department of Energy : DOE)의 Advanced Photon Source의 GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D 싱크로트론 광원 빔라인 (insertion device beamline)의 X 선 회절(x-ray diffraction : XRD)과 X-ray Science Division 20-BM 편향 자석 빔라인(bending magnet beamline)의 X 선 흡수 분광(x-ray absorption spectroscopy : XAS)을 이용하여 전지의 전극 샘플을 조사했다.
TiO2 나노 튜브의 합성 이외에, Argonne 나노 스케일 재료 연구 센터 (Center for Nanoscale Materials : CNM)에서 주사 전자 현미경 (scanning electron microscopy : SEM)에 의한 화상화 및 분자 역학 시뮬레이션을 실시했다. 이 기술을 이용하여 TiO2 나노튜브 안에서 일어나는 이온의 삽입, 탈착 과정을 조사하는 방법이 제안되었다. 연구진은 나노 스케일의 비정질 TiO2 나노튜브와 리튬를 전지의 양극으로 사용하여 첫 번째 방전의 선형 전압의 감소에 주목했다. 이것은 이 TiO2 나노튜브에서 상전이가 일어났다는 것을 의미한다. 연속적인 충, 방전 사이클에서 아나타제 같은 다른 종류의 TiO2에 보고된 상당히 큰 용량의 Li + 이온이 TiO2 나노 튜브로 가역적으로 삽입, 이탈했다.
연구팀은 이러한 현상은 이 상전이의 결과로 일어나는 다른 구조, 즉 삽입 메커니즘에 의한 것이라고 결론 지었다. 아나타제와 비교하여 상전이한 TiO2 나노튜브 양극은 특히 높은 사이클 속도에서 Li 이온을 비약적으로 확산시켰다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 XRD와 XAS를 이용한 연구 결과는 충, 방전 사이클 후 양극 구조가 어떻게 변화하는지를 보여주었다. 거의 1.1V 초과되는 충,방전 사이클의 변화는 보고되지 않았지만, 1.1V 이하로 떨어질 경우 8 면체 중에 Ti와 Li가 무작위로 형성되었다.
흥미롭게도, 이러한 8면체 시스템에서 기대되는 현상은 이 경우에 보고되지 않았다. 그러나 이 것은 열역학적 안정성에 영향을 주지 않고, 입방체 구조 상전이 후 높은 안정성과 가역성을 지켰다. 이것은 Li + 이온의 삽입, 이탈은 더욱 뛰어난 Li + 이온의 삽입을 허용하는 새로운 구조를 일으키기 때문이다. 새로운 구조의 모든 레이어에는 금속 원자가 충전 상태로 유지되기 때문에 재료 입방정 상이 유지된다. 다른 종류의 TiO2 구조의 Li + 이온 확산의 분자 역학 시뮬레이션을 통해 가장 효율적인 확산과 가장 낮은 활성화 장벽(0.257eV)은 아나타제 같은 다른 결정형의 TiO2에 비해 비정질 Li2Ti2O2에서 나타났다. 비정질 - 입방에 결정 전이 TiO2 나노튜브 양극을 5V의 스피넬 음극 (LiNi0.5Mn1.5O4)의 전지 구성에서 테스트한 결과, 반복 충, 방전 사이클은 배터리는 평균 2.8V의 전압 및 용량 향상을 보여주었다.
TiO2 나노튜브 양극의 또 다른 주목할만한 장점은 용량의 저하가 일어나지 않기 때문에, 이 양극이 흑연 양극의 Li 도금과 다른 종류의 Li 이온 축전지에서 안전 문제를 일으켜 얻는 전극 오버 전위를 해결하기 위한 것이다. 반복되는 충방전에서 효율적이고 강력한 구조로 실제로 스스로 질서화할 수 있는 나노 스케일의 전극 재료의 개발에 의해, 연구팀은 대용량이며 안전한 축전지 설계 개발에 새로운 길을 열었다. 스마트폰 기술과 EV 자동차 분야에서 이 같은 진전의 중요성은 크게 평가되어야 한다.