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中性子産業利用推進協議会

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       汎用元素からなる新規高容量電極材料の開発に成功
     リチウムイオン蓄電池の高容量化実現につながる正極材料の発見
    ~ 次世代の蓄電池の実現により、電気自動車の高性能化などに期待 ~

東京電機大学 工学部環境化学科の藪内直明准教授らの研究グループは、リチウムイオン電池用電極材料として酸素の酸化還元を充放電反応に用いる汎用元素で構成される新規岩塩型酸化物の合成に成功しました。

 近年、次世代の正極材料として「酸素分子」が注目されています。しかし、空気中の酸素分子を利用するリチウム・空気電池の理論エネルギー密度は高いものの、一般的なリチウムイオン電池と比較して構造が大きく異なり、実用化へ向けて解決すべき多くの課題があります。一方、同じ酸素を固体である「酸化物イオン」として用いることで、従来のリチウムイオン電池と全く同じ構造のまま、空気電池に匹敵するエネルギー密度を目指す研究が行われています。その結果、藪内准教授らは、昨年度までにニオブを用いることで高容量が得られることを確認しました。しかし、ニオブは高価な元素であり、電気自動車やスマートグリッド用途への展開は難しいと考えられていました。そこで、ニオブ系材料の反応機構を詳細に解析した結果、ニオブをチタンに代替できる可能性を見出し、実際にチタン・マンガン系材料 (図2参照) を合成したところ、ニオブ系材料以上の高エネルギー密度が得られることが確認できました。

 この新規チタン・マンガン系材料 (Li1.2Ti0.4Mn0.4O2) のエネルギー密度 (正極重量ベース) を評価したところ、既存の電気自動車用のリチウム電池で広く用いられているスピネル型*1リチウムマンガン酸化物 (LiMn2O4) やリン酸鉄リチウム (LiFePO4) を大きく上回る 1,000 mWh/g 以上のエネルギー密度が得られることがわかりました。また、放射光や中性子を用いた構造解析から、これらの反応は通常の材料において進行するような遷移金属イオンの酸化還元反応ではなく、特異的にチタンとマンガンと結合している酸素の酸化還元反応が進行することで高容量材料となることもわかりました。

 このエネルギー密度は、これまでに報告されているトポタクティック*2な反応様式で進行する電極材料としては非常に高い値です。

 これらの研究成果は、酸素の酸化還元反応を利用することで、さらなる高エネルギー密度の電極材料の発見につながる可能性も秘めています。また、安価なチタンを用いた高性能蓄電池材料の実現は、電気自動車用の走行距離の増加だけではなく、リチウムイオン電池の新たな市場の開拓につながることが期待されます。

本成果は,Nature Communications に2016年12月23日19:00に掲載されました.下記HPをご参照ください.
   http://nature.com/ncomms/


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