非平衡電子構造解析に基づく蓄電池カソード配位子電荷移動の安定化

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03929
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 内本 喜晴 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (50193909)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。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、リチウム過剰系材料が期待されている。本課題は、リチウム過剰系材料において、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の解明を行った。詳細な結晶構造解析を行い、リチウムイオンの三次元の拡散パスの検討を行っている。リチウム過剰系正極材料は遷移金属層にもリチウムが存在するため、三次元的なリチウム拡散が可能と考えられる。三次元的なリチウム拡散が起こるためには、クーロン相互作用の大きな遷移金属と面していない経路を確保する必要があり、材料中のLi/遷移金属の配列が影響する。そのため材料中の積層欠陥や、Li/遷移金属間のカチオンミキシングが三次元拡散のしやすさを決定するパラメーターであることを示した。また、広いバンド構造を有する4d遷移金属Ruを用いることによって固溶体正極材料の電子状態制御を行い、Mnと異なりRuは4価/5価のレドックス反応によって電荷補償元素となりうるため、固溶体正極材料にRuを用いることで充放電過程における遷移金属レドックスの寄与を拡大させるとともに、充電反応時の酸素発生を抑制することに成功している。さらに、従来酸化物を中心に研究開発されてきた、リチウム過剰系材料の分野において、酸化物イオンの一部を窒化物イオンに置換することによる効果を検討した。その結果、窒素の2p軌道の効果により、酸素の2p軌道へのホールの生成電位が卑にシフトし、高容量が発現した。また、歪みが小さくなることにより、レート特性が向上した。本研究で開発した材料は、現在最も高容量を示すリチウムイオン二次電池正極材料のひとつである。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Los Alamos National Laboratory/Northeastern University/Carnegie Mellon University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Los Alamos National Laboratory/Northeastern University/Carnegie Mellon University
• [雑誌論文] Magnetic Compton scattering study of Li-rich battery materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Suzuki, Yuji Otsuka, Kazushi Hoshi, Hiroshi Sakurai, Naruki Tsuji, Kentaro Yamamoto, Naoaki Yabuuchi, Hasnain Hafiz, Yuki Orikasa, Yoshiharu Uchimoto, Yoshiharu Sakurai, Venkatasubramanian Viswanathan, Arun Bansil, and Bernardo Barbiellini
  • 雑誌名: Condensed Matter 巻: 7 ページ: 4-11
  • DOI: 10.3390/condmat7010004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tomographic reconstruction of oxygen orbitals in lithium-rich battery materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasnain Hafiz, Kosuke Suzuki, Bernardo Barbiellini, Naruki Tsuji, Naoaki Yabuuchi, Kentaro Yamamoto, Yuki Orikasa, Yoshiharu Uchimoto, Yoshiharu Sakurai, Hiroshi Sakurai, Arun Bansil & Venkatasubramanian Viswanathan
  • 雑誌名: Nature 巻: 594 ページ: 213-216
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03509-z
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 次世代二次電池の開発動向 (2022)
  • 著者名/発表者名: 内本 喜晴
  • 学会等名: 化学工学会第87年会
  • 招待講演
• [学会発表] 放射光X線を用いた高度解析による電子論的設計指針に基づく電極材料の創生 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本 健太郎
  • 学会等名: 電気化学会第89回大会
  • 招待講演
• [学会発表] リチウムイオン二次電池と次世代二次電池 (2021)
  • 著者名/発表者名: 内本 喜晴
  • 学会等名: 京都理化学協会 総会講演会
  • 招待講演
• [備考] リチウムイオン二次電池高容量正極材料の開発
  • URL: http://www.uchimoto.jinkan.kyoto-u.ac.jp/about