リチウムイオン電池の長寿命化へ新たな材料設計指針：電池材料表面を適切にフッ素化

信州大と仏モンペリエ大学の国際共同研究グループは、高容量リチウムイオン電池の長寿命化につながる材料設計の新たな指針を示した。正極材料に用いるNi（ニッケル）リッチ層状酸化物（NCM811）の表面近傍にフッ素を適切に導入することで、充放電反応時に生じる結晶構造の変化と電解液との界面反応を同時に安定化できるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

充放電反応時に生じる結晶構造の変化と界面反応を同時に安定化

　信州大学アクア・リジェネレーション機構の是津信行教授らと仏モンペリエ大学シャルル・ジェラール・モンペリエ研究所（ICGM）のLouvain Nicolas教授らによる国際共同研究グループは2026年8月、高容量リチウムイオン電池の長寿命化につながる材料設計の新たな指針を示した。正極材料に用いるNi（ニッケル）リッチ層状酸化物（NCM811）の表面近傍にフッ素を適切に導入することで、充放電反応時に生じる結晶構造の変化と電解液との界面反応を同時に安定化できるという。

　高容量リチウムイオン電池の正極材料として、Niを多く含むNCM811（LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂）が注目されている。高いエネルギー密度を実現できるからだ。一方で高い充電状態において結晶格子が大きく収縮したり、正極表面で電解液の分解反応が進行したりする。これらが長寿命化を妨げるという課題もあった。この対策として、NCM811の表面近傍をフッ素化する方法が報告されている。ただ、その関連性などは十分に理解されていなかったという。

　研究グループは今回、フッ化キセノン（XeF₂）を用いた固体−気体反応でNCM811をフッ素化した。特に処理時間を適切に制御することで、粒子表面近傍にフッ素が多く存在する状態とした。そしてX線回析などの手法を用い、フッ素化の効果を解析した。この結果、フッ素化で高電圧充電時における結晶格子の体積収縮率が、未処理時の−3.3％から−1.1％まで緩和され、H2→H3相転移に伴う急激な構造変化が抑制されることを確認した。

　フッ素化により、電極表面ではジメチルカーボネイト（DMC）の吸着状態が選択的に変化し、電解液の過剰な分解と正極界面被膜（CEI）の成長を抑制できることが分かった。この安定化効果は正極側だけでなく負極側にも及び、正極−負極間の化学的クロストークを抑えることができた。黒鉛負極と組み合わせたフルセルにおいて、100サイクル後の容量維持率は93％となった。フッ素化処理をしていないNCM811では77％であった。

　これらの解析結果により、表面近傍への適切なフッ素導入は、「結晶構造の安定化」だけでなく、「電解液分子の吸着制御」「正極界面反応の抑制」「正極−負極間クロストークの低減」「電池全体の長寿命化」という効果を生み出すことが明らかになった。

未処理のNCM811とフッ素化されたNCM811の表面近傍［クリックで拡大］ 出所：信州大学