成功实现蓄电池材料的低成本、高容量、长寿命~有望通过有效利用铁和氧来避免锂离子电池的资源风险~

新闻与主题

类别：新闻稿|发表于 2024 年 4 月 26 日

北海道大学
东北大学
V体育

演示要点

〇〇开发出主要成分为无稀有金属铁的锂离子电池正极材料。
〇利用铁和氧的反应实现高容量。
〇〇通过在材料中引入硅、磷等，我们成功地实现了高能量密度和高循环寿命。

摘要

　由北海道大学科学研究生院副教授Hiroaki Kobayashi、东北大学多学科材料科学研究所教授Takashi Homma和V体育工学研究生院教授Masanobu Nakayama领导的研究小组开发了一种兼具低成本、高容量和长寿命的锂离子电池正极材料。
　锂离子电池已成为日常生活中不可或缺的一部分，但其正极材料采用钴、镍等稀有金属，随着供应量的增加，资源枯竭和价格上涨已成为严重问题。磷酸铁锂(磷酸铁锂₄)的锂离子电池已经商业化。另一方面，需要开发具有更高能量的新型无稀有金属正极材料，用于电动汽车等大型电源。
　研究小组正在开发不含稀有金属的锂铁氧化物（李₅Fe3O₄) 的材料。这种材料利用铁和氧的两个氧化还原反应。磷酸铁锂₄的2表示容量的两倍以上。然而，该材料存在循环寿命差的问题，需要抑制充电时发生的氧脱附反应。
　在这项研究中，李₅Fe3O₄硅、磷等p我们发现，氧脱附反应被包含阻断元素的正极材料所抑制。评价这些材料的循环特性的结果是，氧氧化还原反应的容量保持率为50%最多90%有了显着的改进该材料设计指南被认为作为高性能无稀有金属正极材料的材料设计指南是有效的，并且这项研究的进展有望为低碳社会和全球变暖对策做出贡献。
　这个研究结果是2024年份4月22周日（周一）发布发表在杂志上。

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成功实现无稀有金属铁基正极材料的高容量和长寿命

背景

　锂离子电池用于各种便携式设备，已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。由于其高能量性能，对电动汽车电池等大型蓄电池的需求正在扩大。当前锂离子电池正极材料采用钴、镍等稀有金属，但随着需求增加，资源枯竭、分布不均等问题日益严重，对价格飙升等供应链风险的担忧日益加剧。为了在避免这些问题的同时实现技术创新，开发使用不含稀有金属的金属资源的正极材料非常重要。使用廉价铁的磷酸铁锂（磷酸铁锂₄)作为供应链风险低的正极材料而受到关注，但需要开发具有更高能量的新型无稀有金属正极材料。
　课题组正在进行锂、铁、氧组成的无稀有金属正极材料的研发，近年来开发出倒置萤石结构（图1）李₅三氧化二铁₄)磷酸铁锂₄的2据报道，可逆容量高出两倍多（相关新闻稿）。这个高容量表达式是李₅Fe3O₄^*1^*2进入22061_22122|
　然而，李₅Fe3O₄存在循环特性差的问题。当该材料被充电时，会发生氧氧化反应，但如果该氧化反应过度进行，则固体中的氧将被氧化成氧分子并以气体形式释放。释放的氧无法恢复到原来的状态，因此为了改善循环特性，必须抑制充电过程中发生的竞争性氧脱附反应。

研究方法/研究结果

　这次，我们尝试在材料中引入一种新元素，以抑制氧脱附反应。元素周期表13～18该群的元素是p它被称为块元素，特别是13~16已知族元素可与氧形成强共价键，李₅Fe3O₄的李是啊铁这次李₅Fe3O₄的铁的一部分是铝 (阿尔)，硅 (硅), 锗 (Ge)，林(p)、硫磺(S)被替换的材料。
　我们评估了这些合成材料的循环特性，发现它们是重复的10该时间点氧氧化还原反应的容量保持率50%最大90%有了显着的改进（图1）。特别是，就氧氧化还原行为而言，掺入硅的材料具有最高的性能，而就正极的整体能量密度（包括铁的氧化还原反应）而言，掺入磷和锗的材料表现出最高的性能。通过使用同步辐射的光谱分析和计算科学研究该正极材料的氧氧化还原反应，结果发现氧被取代。p发现嵌段元素与氧共价键合，有助于抑制氧解吸（图2)，这被认为提高了循环性能。考虑到正极的性能和元素的资源性质，硅和磷的引入被认为可以有效提高不含稀有金属的正极材料的性能。

对未来的期望

　为了打造不含稀有金属的高能正极材料，新开发的材料采用铁作为金属源，使其不含稀有金属，利用铁和氧的两个氧化还原反应来增加容量，并且由于磷和硅等不稳定的氧氧化还原反应而具有相对较低的供应链风险p通过引入和稳定块元件，我们能够提高循环性能。因此，我们可以通过进一步的基础技术开发来期待一个长期的周期。此外，该技术还可应用于锂空气电池等其他下一代锂离子电池开发技术，该研究的进展有望为低碳社会和全球变暖对策做出贡献。

致谢

这项研究得到了 JSPS 青年科学家科学研究补助金 (JP19K15668)、科学研究 (B) (JP20H02436)、JST ALCA-SPRING (JPMJAL1301) 以及“材料和器件领域联合研究中心”的 CORE Lab 联合研究计划的支持。

论文信息

论文标题走向具有成本效益的高能锂离子电池阴极：共价键
地层促进反萤石型富锂铁中的固态氧氧化还原
氧化物（开发低成本、高能量锂离子电池正极：反萤石氧化铁）
)
作者姓名：Hiroaki Kobayashi*、1、2、Yuki Nakamura2、Yumika Yokoyama3、Kaku Honma2、Masanobu Nakayama3（1北海道大学理学院研究生院、2东北大学多维材料科学研究生院、3V体育工学研究生院）*通讯作者
杂志名称：ACS Materials Letters（美国化学会出版的材料科学期刊）
DOI
发布日期：2024 年 4 月 22 日星期一（在线发布）