非金属元素でリチウムイオン二次電池の正極材料の性能を向上豊田中央研究所

豊田中央研究所は2024年3月6日、リチウムイオン二次電池（LiB）の正極材料として資源の持続可能性のリスクがあるコバルト、ニッケルを使用せずに、非金属元素の導入によって性能を向上させたことを発表した。非金属のホウ素やリンを導入することで、長寿命化と高容量化の効果を実証している。

自動車の電動化への進展に伴い、駆動用のLiBは、高性能化やコストの低減、安定供給が期待されている。マンガン（Mn）系材料は、金属資源の持続可能性のリスクが少ない正極材料の1つだが、一般的なリチウムマンガン（LiMn）酸化物は、コバルト、ニッケルを正極材料とした高性能電池に比べ、容量が低く寿命が短い。そこで研究チームは、結晶内部の微細構造を制御することで、Liイオンの通り道が出現し、かつ高容量が得られる無秩序岩塩型のLiMn酸化物に着目した。

研究では、無秩序岩塩型LiMn酸化物の微細構造制御として、小さな非金属元素（ホウ素、リンなど）を格子間のすき間に導入した。その結果、ホウ素は微細構造が安定化して、繰り返し使用後にも高容量が維持される「長寿命化」の効果があることがわかった。また、低濃度のリンは格子間のすき間が制御され、リチウムイオンの移動、吸蔵が増えて高エネルギー密度化する「高容量化」の効果が明らかになった。

ホウ素、リン導入による微細構造制御の効果
（左）リンを導入した場合は、鉄系、ニッケル系の正極材料と比べて初期放電が高容量化している。
（右）ホウ素を導入した場合は、繰り返し使用後も高容量が維持されている。

さらに、正極材料の微細構造変化を大型放射光施設「SPring-8」豊田ビームラインで解明し、構造制御のための非金属元素導入の指針を提案した。正極にこれら新材料を用いた小型のラミネート型LiBを作製し、非金属元素導入による長寿命化、高容量化を実証した。

今回の研究で、非金属元素（ホウ素、リン）の導入が、正極材料の長寿命化、高容量化に有用だと明らかになった。さらに、材料設計指針を提案した。また、非金属元素を導入した無秩序岩塩型LiMn酸化物のLiBを作製し、その性能向上を実証した。

正極材料に用いる金属元素は、単一（モノメタル）だと容易に分別でき、LiBのリサイクル促進につながる。今回検証した正極材料は、Mn系のみで構成されているため、コバルトとニッケルの不使用、長寿命と高容量の両立に加え、リサイクルしやすい特長を持つLiBの実現が期待される。

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