高エネルギー密度、長寿命、実用的なコバルトフリーのニッケル系電池材料を開発横浜国立大学ら

横浜国立大学は2024年2月8日、総合科学研究機構、物質・材料研究機構（NIMS）、住友金属鉱山と共同で、新しいニッケル系層状材料 (Li_0.975Ni_1.025O₂) を開発し、同材料がコバルトフリー構成でありながら、高エネルギー密度、長寿命の電池正極材料となることを発表した。従来手法を利用して材料を合成できるため、実用的な電池材料としての利用が期待できる。

電気自動車用途には、正極材料として、コバルトを含むニッケル系層状酸化物が広く用いられているが、コバルトは資源が偏在しており、主に政情不安定な国で産出される。電気自動車のさらなる普及には、コバルトフリーと高性能を両立する材料の開発が求められていた。

研究では、従来のニッケル系層状材料で10-20％程度含まれているコバルトの役割について詳細に検討した。その結果、コバルト非含有材料では、充電状態にニッケルイオンが移動することが劣化の要因であることを明らかにしている。

さらに、構造欠陥（層状材料にてイオンが入れ替わったアンチサイト欠陥）を含有するモデル材料を合成。構造欠陥を有する材料は、充電状態におけるニッケルイオンの移動を抑制できることがわかった。

これらの知見に基づき、2-3％の極少量のニッケルイオンを過剰な組成とした材料（Li_0.975Ni_1.025O₂）を合成。これは、実用的な合成法を用いて、構造欠陥を意図的に導入することを目的としている。

この材料の結晶構造の解析では、実際に構造欠陥を有し、さらに充電中のニッケルイオンの移動を抑制できることを明らかにした。また、コバルト含有試料以上の高いエネルギー密度とサイクル特性の実現に加え、優れた急速充電特性と出力特性も有している。これは、次世代の電気自動車用の電池材料としての応用が期待できる。

しかし、ニッケルは比較的高価な元素で、低価格な電気自動車用用途には適していないため、今後はニッケルフリー構成を実現する電池材料も必要となる。また、そのような材料は、実用的な合成法で大量生産できることが求められる。そこで現在、コバルトフリー、ニッケルフリー構成を実現する実用的な材料開発も進めている。

高エネルギー密度、長寿命、実用的なコバルトフリーのニッケル系電池材料を開発　横浜国立大学ら