高エネルギー密度で長寿命のコバルト／ニッケルフリー電池材料を開発横浜国立大など

Li₂MnO_3/2F_3/2の走査透過型電子顕微鏡像

横浜国立大学は2023年7月7日、立命館大学とパナソニックエナジー研究開発センターとの研究グループが、電池正極材料となる新しいリチウム過剰型マンガン系酸フッ化物酸化物材料を開発したと発表した。コバルト／ニッケルフリーでありながら高エネルギー密度、長寿命を実現でき、電気自動車などに使われるリチウムイオン蓄電池の高性能化や低コスト化につながる研究成果だとしている。

開発したのは、岩塩型構造を有するリチウム過剰マンガン系酸フッ化物正極材料（Li₂MnO_1.5F_1.5）で、埋蔵量が豊富で安価なマンガンを利用することで、ニッケル系層状材料と同程度のエネルギー密度を実現した。

マンガン系酸フッ化物材料は電解液に溶出するため、これまでサイクル寿命の向上が課題だとされてきたが、電解液としてリチウム塩濃度の高い濃厚電解液を利用することで、電池材料の電解液への溶解を抑制。これによって、高エネルギー密度と優れた寿命特性の両立に世界で初めて成功した。

また、電池材料としての特性は鉄系材料を大きく超えており、マンガンの多電子酸化還元反応によって優れた電池特性を実現していることも明らかにした。

これまで高エネルギー密度の電池材料として研究されてきたのは、フッ素を含まないリチウム過剰型マンガン系酸化物（Li₂MnO₃）系材料だった。しかし、充放電時に酸素が酸化されて酸素分子として脱離するため、充放電時に電圧が低下するという課題があった。

今回開発したLi₂MnO_1.5F_1.5ではマンガン酸化数の低減効果により酸素が酸化されず、電圧低下も生じない。研究グループはさらなる研究によって、鉄系材料と同程度のコストで、より高性能な実用的マンガン系材料を用いたリチウムイオン蓄電池の開発が期待できるとしている。

研究成果は米国の科学雑誌「ACS Energy Letters」に2023年5月25日、オンライン掲載された。

高エネルギー密度で長寿命のコバルト／ニッケルフリー電池材料を開発　横浜国立大など