全固体フッ化物イオン二次電池用の超高容量正極材料の開発 ー分子状窒素で高エネルギー密度を実現ー

全固体フッ化物イオン二次電池用の超高容量正極材料の開発ー分子状窒素で高エネルギー密度を実現ー

2025年1月15日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　雨泽浩史

【概要】

京都大学大学院人间?环境学研究科　山本健太郎　特定准教授（现：奈良女子大学研究院工学系准教授）、内本喜晴　教授らの研究グループは、トヨタ自动车株式会社、东京大学、兵库県立大学、东北大学、东京科学大学と共同で、リチウムイオン二次电池^※1を超える次世代の二次电池として期待されている全固体フッ化物イオン二次电池^※2用の新规高容量インターカレーション^※3正极材料の开発に成功しました。本研究では逆ReO₃型构造を有する窒化物Cu₃N正极が、现在のリチウムイオン二次电池正极の2倍を优に超える550 mAh/gの高い容量を示すことを见出しました（図1）。フッ化物イオンの挿入?脱离机构をX线吸収分光法、共鸣非弾性X线散乱法^※4などさまざまな分析技术を用いて多角的に解析した结果、Cu₃N正极はフッ化物イオン挿入时に构造内で分子状窒素を形成する（窒化物イオンの电荷补偿を活用する）ことで、结晶构造から予想されるよりも遥かに多くのフッ化物イオンを可逆的に挿入可能にしていることを明らかにしました。これまでの蓄电池では、正イオンの迁移金属の価数変化を利用していましたが、负イオンである窒素の価数変化を活用した超セラミックス^※5正极材料の报告は世界初であり、従来と比べてはるかに高容量を実现できることから、蓄电池の革新が起こる可能性を示したものです。

本成果は、2025年1月13日に米国の国际学术誌「Journal of the American Chemical Society」にオンライン掲载されました。

図1　本研究で開発したCu₃N正极と既存正极材料の重量あたりの容量と体积あたりの容量の比较

【用语解説】

(※1) リチウムイオン二次電池
エネルギー密度が高く、スマートフォンやノートパソコンなどの携帯机器や电気自动车の电源として利用されている二次电池です。正极?负极の电极と有机溶媒を用いた电解质が主な构成要素であり、リチウムイオンが动くことで充放电反応が进行します。移动用电源として用いられる场合、大型化とともにさらなる安全性の向上が开発の至上命题となっています。

(※2) 全固体フッ化物イオン二次電池
电解质として固体のフッ化物イオン伝导体が用いられ、正极?负极间でフッ化物イオンが动くことで充放电反応が进行する二次电池です。现在最も普及しているリチウムイオン二次电池と比较して、高エネルギー密度、高安全性、低コストが実现可能な次世代の二次电池系として期待されています。2011年以降に研究开発が加速しましたが、克服すべき课题も多くあります。

(※3) インターカレーション
物质の空隙に他の物质が挿入される现象または反応の総称です。

(※4) 共鳴非弾性X线散乱法
物质の内殻準位に共鸣する齿线を照射し、散乱された齿线をエネルギー分解することによって、バルク敏感かつ元素ごとに、电子励起状态や振动などの物质が持つ素励起を调べることができる分光手法です。

(※5) 超セラミックス
无机材料に分子性のユニットを组み込んだ物质群を「超セラミックス」と定义しています。

【论文情报】

タイトル：Cathode Design Based on Nitrogen Redox and Linear Coordination of Cu Center for All-solid-state Fluoride-Ion Batteries
著者：Datong Zhang, Kentaro Yamamoto*, Zulai Cao, Yanchang Wang, Zhuoyan Zhong, Hisao Kiuchi, Toshiki Watanabe, Toshiyuki Matsunaga, Koji Nakanishi, Hidenori Miki, Hideki Iba, Yoshihisa Harada, Koji Amezawa, Kazuhiko Maeda, Hiroshi Kageyama, and Yoshiharu Uchimoto
掲载誌：Journal of the American Chemical Society
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