Stabilization of Battery Cathode Ligand Charge Transfer Based on Non-Equilibrium Electronic Structure Analysis

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18H03929
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Uchimoto Yoshiharu 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (50193909)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 優実 東京理科大学, 工学部工業化学科, 准教授 (00436619) ; 藤井 達生 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (10222259) ; 折笠 有基 立命館大学, 生命科学部, 教授 (20589733) ; 大石 昌嗣 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (30593587)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: リチウムイオン二次電池 / 電子構造 / 正極活物質 / 高容量正極 / 高エネルギー密度電池

Outline of Final Research Achievements

We focused on the charge compensation of anions, not transition metal cations, for lithium-rich oxide cathode materials in which charge compensation of oxide ions occurs during insertion and deinsertion of lithium ions. We established a guideline for the design of materials by controlling anions. We found that oxide ions can contribute reversibly to charge compensation when either the covalent or ionic bonding between transition metal cations and oxide ions is extremely strong. Based on these results, in the field of lithium-rich materials, which have been researched and developed mainly with oxides in the past, high capacity was achieved by replacing some of the oxide ions with nitride ions.

Free Research Field

電気化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

地球温暖化問題を解決するために、電気自動車等が注目され、長い距離を走行可能な電気自動車の開発には、現存する二次電池よりもさらにエネルギー密度の高い二次電池が必要となる。本課題は、高容量を有するリチウムイオン二次電池正極材料として、期待されているリチウム過剰系材料に着目した。主に、放射光を用いたオペランドX線吸収法によりアニオンである酸素が充放電過程における電荷補償に寄与することにより高容量を発現する機構を解明し、それを基に、従来の酸化物ではなく酸素とともに窒素をアニオンとして含む、酸窒化物高容量正極の開発に成功した。