東北大ら、リチウムイオン電池正極材料を開発：レアメタルフリーで高容量

東北大学と名古屋工業大学の研究グループは、リチウムイオン電池の正極材料として逆蛍石型リチウム鉄酸化物を用い、これまでの2倍以上となる可逆容量を達成したと発表した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

逆蛍石型リチウム鉄酸化物の構造ひずみを抑制した準安定相を合成

　東北大学多元物質科学研究所の小林弘明講師と本間格教授、名古屋工業大学大学院工学研究科の中山将伸教授らによる研究グループは2023年1月、リチウムイオン電池の正極材料として逆蛍石型リチウム鉄酸化物（Li₅FeO₄）を用い、これまでの2倍以上となる可逆容量を達成したと発表した。

　電気自動車（EV）などに搭載されるリチウムイオン電池は、正極にコバルトやニッケルといったレアメタルが用いられている。こうした中で、資源の枯渇や価格上昇といった課題も浮上してきた。こうしたリスクを回避するため、安価な鉄を用いたリン酸鉄リチウム（LiFePO₄）などが実用化されている。一方で、「エネルギー密度が低い」など問題もあったという。

　今回、正極材料として用いたLi₅FeO₄は、LiFePO₄正極で利用されている鉄のレドックス反応に加えて、酸素のレドックス反応も利用することができるという。これによって、理論上の容量はLiFePO₄正極の2倍以上になると予測されていた。しかし、これまでは酸素のレドックス反応を十分に活用できなかったため、LiFePO₄正極とほぼ同じ容量にとどまっていたという。

　研究グループは今回、その要因が結晶構造のひずみによって引き起こされる酸素脱離（分解反応）であることを見いだし、メカニカルアロイングと呼ばれるプロセスを用いて、構造ひずみを抑制した準安定相を合成した。こうして得られた準安定相の正極特性は、充放電時の負荷が大きく低減し、300mAh/gを超える可逆容量となった。この値はLiFePO₄正極の約2倍だという。

左図はLi₅FeO₄、右図は今回開発した準安定相の結晶構造 出所：東北大学

　研究グループは、放射光による分光分析を行い、正極材料のレドックス反応を調べた。この結果、鉄のレドックス反応に加えて、酸素のレドックス反応が可逆に進行することを確認した。また、メカニカルアロイングを用い構造ひずみを抑制したことで、鉄のレドックス反応時に起こる構造変化が容易に進行。これによって酸素のレドックス反応が分解反応を伴わずに進行することも、科学計算により判明した。