Development of high-capacity cathodes for rechargeable batteries by controlling microstructure of oxides

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01646
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kawaguchi Tomoya 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00768103)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 市坪 哲 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (40324826)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: マグネシウム蓄電池 / ハイエントロピー酸化物 / 岩塩型構造 / 蓄電池 / 拡散 / パーコレーション / 酸化物電極材料

Outline of Final Research Achievements

In this study, we investigated the high-entropy effects on capabilities in oxide electrode materials used for rechargeable batteries. Mixing many elements in a single phase leads to a high configurational entropy state in the materials. In the present study, we focused on oxide cathode materials for rechargeable magnesium batteries, which utilize abundant magnesium instead of lithium used for current lithium-ion batteries. The high-entropy effects enable the synthesis of a material with a targeted structure and a composition, in which insertion and extraction of magnesium were demonstrated. The activation mechanism also revealed in the present study paves the path to developing more promising materials for practical rechargeable magnesium batteries.

Free Research Field

固体化学，固体物理，電気化学，結晶構造解析

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまでの研究より，マグネシウム蓄電池の酸化物正極材料はマグネシウムを挿入できるものの，初期の構造から岩塩型構造に相転移することが知られていた．岩塩型構造は陽イオンが密に詰まった構造であるため，もともと酸素副格子との相互作用の強い二価のマグネシウムの脱離は非常に困難であり，繰り返し充放電特性の悪化の原因となっていた．本研究ではそのような岩塩型構造を有する正極材料をあえて合成し，その活性化機構を明らかにした．この活性化機構は材料科学的に有意義であるだけでなく，ポストリチウムイオン電池として期待されるマグネシウム蓄電池の実現に貢献し，ひいては持続可能社会実現に資する結果であると考えられる．