蓄電池材料の低コスト?高容量?寿命の共立に成功 ～鉄と酸素を有効に利用しリチウムイオン電池の資源リスク回避に期待～

蓄電池材料の低コスト?高容量?寿命の共立に成功～鉄と酸素を有効に利用しリチウムイオン電池の資源リスク回避に期待～

2024年4月26日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　本间格

【発表のポイント】

レアメタルフリーな鉄を主成分としたリチウムイオン电池正极材料を开発。
鉄と酸素両方の反応を活用し高容量化。
材料にシリコンやリンなどを导入し高エネルギー密度と高サイクル寿命の両立に成功。

【概要】

北海道大学大学院理学研究院の小林弘明准教授、东北大学多元物质科学研究所の本间　格教授、名古屋工业大学大学院工学研究科の中山将伸教授らの研究グループは、低コスト?高容量?寿命の共立が可能なリチウムイオン电池の正极材料を开発しました。

リチウムイオン电池は生活には欠かせないものとなっていますが、その正极材料にはコバルトやニッケルなどのレアメタルが使用されており、供给量の増大に伴う资源枯渇や価格高腾が深刻な课题となっています。サプライチェーンリスクが低い正极材料として、リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）を用いたリチウムイオン电池が商品化されています。一方で、电気自动车などの大型电源用途としてさらなる高エネルギーを持つ新しいレアメタルフリー正极材料の开発が求められています。

研究グループでは、レアメタルフリーな鉄を主成分としたリチウム鉄酸化物（Li₅FeO₄）の材料开発を进めています。この材料は鉄と酸素の二つのレドックス反応を利用することで、LiFePO₄の2倍以上の容量を示します。しかし、この材料はサイクル寿命が悪いという课题があり、充电时に起こる酸素脱离反応を抑制する必要がありました。

本研究では、Li₅FeO₄にシリコンやリンなどのpブロック元素を导入した正极材料で酸素脱离反応が抑制されることを発见しました。これら材料のサイクル特性を评価した结果、酸素のレドックス反応の容量维持率が50%から最大で90%に大きく向上することを见出しました。本材料设计指针は高性能なレアメタルフリー正极材料の材料设计指针として有効であると考えられ、研究进展による低炭素化社会、地球温暖化対策への贡献が期待されます。

本研究成果は、2024年4月22日（月）公开のACS Materials Letters誌に掲载されました。