| 研究実績の概要 |
次世代リチウムイオン二次電池の高容量正極材料として，Li過剰系層状酸化物(Li-rich layered oxide, LLO)が注目されている．高容量正極材料として，LLOは従来の正極材料よりも多量のリチウムイオンを含有し，また多量のリチウムイオンを脱離挿入できるが，その高容量を実現している構造メカニズムの詳細は未だ不明である．そこで我々は放射光X線全散乱測定を実施し，そこから得られる二体分布関数(Pair distribution function, PDF)を利用し，我々が開発した結晶PDF解析ソフトウェアを用いて詳細な構造解析を行った．
LLO材料は，金属層中の遷移金属の一部がLi層に移動することで形成する支柱（ピラー）が2種類存在し，これらが層状構造を安定化させていることを突き止めた．Li層には遷移金属が占有できる2箇所のサイト（八面体と四面体サイト）があり，これらが充放電状態に対する応答が異なっていた．八面体サイトを占有する遷移金属は充放電サイクルの進行にかかわらず殆どその占有率が変化しない一方で，四面体サイトの遷移金属は充電状態でのみ観察され，放電状態では元の金属層に戻る．Li脱離する充電状態では，Li層の遷移金属は支柱としてLi層を支え，結晶構造の崩壊を防ぐ働きをするが，Li拡散を妨害してしまう．一方で四面体サイトの遷移金属はLi挿入時には姿を消すため，Li移動を妨害しない．つまり，これらの遷移金属がLiイオンの脱離挿入に応じて移動することで，高い充放電容を達成していることが明らかになった．LLO電極の充放電時の構造メカニズムは，従来の正極材料設計とは全く異なっており，次世代LIBの新たな材料設計指針を示すことに成功した．
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