電池材料の酸素脱離現象を解明 次世代型蓄電池への応用に期待
雨澤 浩史 教授（東北大：計画A02）中村 崇司 准教授（東北大：雨澤研究室）木村 勇太 助教（東北大：公募A01）
【概要】
蓄電池内部でのガス発生や異常発熱を回避することは、電池の安全性を左右する重要な課題です。これらの現象は電池を構成する酸化物正極材料から酸素が抜けて電解液等と反応することが原因であると考えられています。東北大学多元物質科学研究所 雨澤浩史教授、中村崇司准教授、木村勇太助教、高輝度光科学研究センター 為則雄祐主席研究員、鶴田一樹研究員らの共同研究グループは、リチウムイオン電池に用いられる酸化物正極材料をターゲットとして、酸化物正極材料からの酸素脱離現象を詳細に評価し、材料中の酸素を不安定化する要因を明らかにしました。本研究で用いた評価手法や得られた知見は次世代蓄電池に利用される酸化物蓄電材料にも適用できるものであり、次世代型エネルギー貯蔵技術の発展を支える基礎学理になることが期待されます。
本成果は2021年6月23日に、Advanced Energy Materials誌にオンラインで公開されました。
Abstract
Oxide-based cathode materials are key components of secondary batteries, for example, alkali metal-ion and anion batteries, sufficient stability of which is thus vital for ensuring high energy density and safety. However, problems originating from the lattice oxygen instability in oxide-based intercalation cathodes are widely reported, such as capacity degradation, gas generation, and thermal runaway, highlighting the importance of deep insights into the critical factors for lattice oxygen stability. In this work, lattice oxygen stability in layered rock-salt LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2−δ is investigated with a focus on oxygen release behavior and relevant changes in crystal and electronic structures. Release of lattice oxygen facilitates cation mixing, transition metal slab expansion, and Li slab contraction, thus deteriorating the layered structure. As is revealed by X-ray absorption spectroscopy, in the beginning stage of oxygen release, the charge balance is compensated by selective reduction of Ni3+. This strongly suggests that high valent Ni generated by delithiation or negative defect species, that is, lithium at the transition metal site (Li" TM), aggravates oxygen release severely. The findings of this work provide a new research direction and guidelines for the stabilization of lattice oxygen in oxide-based intercalation cathodes.
Xueyan Hou, Kento Ohta, Yuta Kimura, Yusuke Tamenori, Kazuki Tsuruta, Koji Amezawa, *Takashi Nakamura, Adv. Energy Mater. 11, 2101005 (2021). "Lattice Oxygen Instability in Oxide-Based Intercalation Cathodes: A Case Study of Layered LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2"
Published on August 12, 2021
