NIMS、高い充放電容量と長いサイクル寿命を両立させる二次電池の負極材料を開発

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物質・材料研究機構(NIMS)は2018年1月25日、酸化マンガンナノシートとグラフェンを分子レベルで交互に重ねた材料を合成し、リチウムやナトリウムイオン二次電池の負極材料として使うことで、従来の2倍以上高い充放電容量と長いサイクル寿命を両立させることに成功したと発表した。この材料は二次電池以外にも、スーパーキャパシタや電極触媒など多くのエネルギー貯蔵や変換システムに大幅な性能向上をもたらすことが期待できるという。

二次電池の高容量化が求められる中、現在負極に使われている炭素材料に代わる材料として、高い理論容量を持つ遷移金属酸化物に注目が集まっている。特に、層状構造の酸化マンガンは、分子1層まで剥離したナノシートにして負極に使うことができれば、表面すべてが活性部位となるため、大幅に容量を向上できると考えられている。しかし、酸化マンガンは充放電を繰り返すと構造が壊れやすく、またナノシートは団子状に凝集しやすいという課題があった。

今回の研究では、溶液中に分散させた酸化マンガンナノシートとグラフェンを混ぜ合わせ、1層ずつ交互に積層させたミルフィーユ構造の複合材料を合成した。この材料をリチウムイオン二次電池の負極として用いたところ、負極容量が従来の2倍以上(0.1A/gの電流密度で1325mAh/g)となり、5000サイクル充放電を繰り返しても、1サイクル当たりの容量減少は0.004%だったという。

これは、今まで報告されている金属酸化物系負極材料の中で最も高い容量と長いサイクル寿命であり、グラフェンで挟むことで、充放電によって壊れやすい酸化マンガンの構造が保たれるとともに、電極材料全体の伝導性を改善した結果と考えられるという。

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