富士通研究所、コバルトを用いない高電圧のリチウム二次電池用正極材料を開発

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新規材料の結晶構造(左)と試作したコイン型電池(右)

富士通研究所は2017年5月29日、これまでコバルト系材料でしか実現していなかった高い電圧を持つリン酸鉄系リチウム二次電池用正極材料の開発に成功したと発表した。リチウム二次電池の低コスト化につながる技術だ。

電気自動車等で使用される高容量/高電圧なリチウム二次電池の正極にはレアメタルのコバルトを使用したコバルト酸リチウム(LiCoO2)などが使用されているが、急速な普及によりコバルトの不足や材料コストの大幅上昇などが懸念されている。コバルトに代わるものとして、安価な鉄を用いた材料が注目されているが、従来の鉄系材料が持つ電圧は2.8Vから3.5Vで、コバルト系材料の3.75Vから4.1Vと比べて低い。このため、電圧の高い新しい鉄系材料の開発が課題となっていた。

今回同社では、鉄系材料において電圧を向上させる新たな要因を発見。さらに、独自の技術により、従来のコバルト系材料に匹敵する3.8Vの電圧を持つ新しいリン酸鉄系のピロリン酸鉄リチウム「Li5.33Fe5.33(P2O7)4」の合成に成功した。

鉄系正極材料の電圧の高低は、結晶中の鉄、酸素などの原子配置に大きく影響されるため、同社では材料の結晶構造と電気化学特性との相関を分析。結晶構造における鉄原子周囲の酸素の配置を歪んだ構造にすることが、高電圧の大きな要因の1つであることを発見した。

この発見を踏まえ、原料の配合と材料形成を精密に制御する同社独自の技術により、新しいリン酸鉄系の材料であるピロリン酸鉄リチウムの合成に成功。これを用いてコイン型電池を試作し、電気化学特性を評価した結果、従来のコバルト系材料の電圧に匹敵する3.8Vの電圧を実現した。これは従来開発されてきたリン酸鉄リチウム(LiFePO4)などのリン酸鉄系材料よりも高い電圧となっている。

一方、充放電容量では、約105mAh/gであり、理論値の139mAh/gやLiCoO2の137mAh/gに比べると75%程度にとどまっている。同社ではさらに解析を進め、コバルト系材料に匹敵する電圧を長く維持できるよう鉄系正極材料の結晶構造を改良し、高電圧かつ高エネルギー密度を目指すとしている。

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