实用型高能量密度无钴镍电池材料的开发-成功合成纳米结构高度可控的锰酸锂材料-

横滨国立大学
V体育
岛根大学
日本科学技术振兴机构 (JST)

这项研究的要点

〇发现高能量密度、长寿命的无钴、无镍电池材料
〇 建立高度可控纳米结构的锰酸锂直接合成技术
〇也能快速充电，让电动汽车性能更高、成本更低

研究概述

　由横滨国立大学 Naoaki Yabuuchi 教授、V体育 Masanobu Nakayama 教授和岛根大学 Koji Ohara 教授领导的研究小组开发了一种纳米结构高度可控的锰酸锂材料，并发现该材料可用作高能量密度和长寿命的电池正极材料，同时不含钴和镍。利用能够实现商业规模大规模生产的技术，我们建立了一种高度控制材料的比表面积和纳米结构的方法，并证明可以实现与现有镍基层状材料与锰基材料相当的能量密度。它也是一种可以快速充电的材料，是一项研究成果，将导致锂离子蓄电池和电动汽车实现更高的性能和更低的成本。
　该研究成果于2024年8月26日（美国东部时间）在线发表在美国化学会旗舰科学期刊《ACS Central Science》上。纸质 DOI：

社会背景及研究成果

　全球范围内实现脱碳社会的步伐正在加速，电动汽车和其他设备中使用的锂离子蓄电池市场正在迅速扩大。世界各地正在积极进行研究和开发，旨在进一步提高这些电池的能量密度并降低成本。近年来，电动汽车的销量在全球范围内不断增加，但为了降低电动汽车的价格，需要进一步提高锂离子电池的性能并降低成本。目前，在欧美、日本销售的电动汽车中，广泛采用含有少量钴的镍基层状氧化物作为正极材料。尽管电动汽车的行驶里程已经与内燃机汽车相似，但考虑到镍作为资源的价格，使用这些镍基材料的锂离子电池的价格将很难进一步降低。另一方面，在电动汽车销量快速增长的中国，低成本的铁基材料被广泛用作电池正极材料，尽管其能量密度低于镍基层状氧化物，而且欧洲市场也在不断扩大。需要既高能量密度又低成本的电池材料来降低电动汽车的价格，进一步扩大电动汽车市场。
　该研究成果是横滨国立大学课题组独立开发的具有高度可控纳米结构的锂锰氧化物正极材料（LiMnO）。₂) 通过使用资源储量丰富且像铁一样便宜的锰，其成分不含钴和镍，但功率输出高达800 W h kg^-1的能量密度（图右上角）。此外，材料合成方法采用通用的固相烧结法（注1），可以实现商业规模的批量生产，使得以低成本大量合成材料成为可能。此外，电动汽车应用还需要快速充电特性，该材料实现了与镍基材料相媲美的快速充电特性（约10分钟即可充电约80%）（图右下），作为电池材料具有很高的实用性。横滨国立大学使用各种LiMnO₂的多晶型物（注2），详细分析了其晶体结构、充放电时的相变行为以及材料的比表面积与能量密度的相关性，结果表明其具有复杂的域结构，通过合成大比表面积的样品，可以获得具有优异电极特性的材料。V体育从理论上分析了影响这些材料相变行为的因素，岛根大学分析了具有复杂矩形（注3）和单斜（注4）域（图左上）的材料的特征纳米结构。

未来发展

此前的研究表明，锂过量的锰基氟氧化物（Li₂二氧化锰_1.5F_1.5)报道称，无钴镍成分可以实现与镍基材料相似的高能量密度，但该材料的合成方法复杂，大规模生产一直是一个问题。本研究中使用的材料合成方法简单，可以以较低的成本进行大规模生产。此外，铁基材料需要碳涂层，导致材料合成成本增加且体积填充率低，而锰基材料不需要碳涂层，因此未来的研究进展有望以低于铁基材料的成本实现高能量密度的锂离子蓄电池的实际应用。这种低成本、高能量密度的锂离子电池有望降低电动汽车的价格，并以大众化的价格创造高性能电动汽车。

横滨国立大学、V体育和岛根大学研究小组开发的具有高度可控纳米结构的锂锰氧化物（LiMnO₂)
左上：具有复杂纳米结构的 LiMnO₂的原子分辨率STEM图像，左下：同一样品的SEM图像，右上：同一样品的放电容量图，右下：同一样品的快速充电特性

　

　这项研究是横滨国立大学、V体育、岛根大学、澳大利亚新南威尔士大学和澳大利亚国立大学的联合研究成果，是日本科学技术振兴机构（JST）“创新GX技术创造项目”的一部分。 GteX）（项目编号：JPMJGX23S3）和文部科学省的“电化学材料研究中心（DX-GEM）”（项目编号：JPMXP1122712807）致力于最大程度地引入可再生能源。

术语表

(注1)固相烧结法
一种通过使用固体粉末作为材料合成前体并在电炉中高温烧制来合成材料的方法。工业上广泛用于合成一般无机材料。

(注2)晶体多态性
化学成分相同但晶体结构不同的物质。

(注3)矩形LiMnO₂
热力学上最稳定的LiMnO₂，晶系属于矩形（晶格常数a、b、c的值均不同，但晶格向量a、b、c均垂直相交）。该结构具有Li和Mn的锯齿形层状排列。

(注4)单斜晶系LiMnO₂
热力学亚稳态 LiMnO₂，晶系为单斜晶系（晶格常数a、b、c的值均不同，晶格向量a、b与b、c垂直相交，但晶格向量a、c不垂直相交）。 Li和Mn构成二维层状结构，LiCoO₂和LiNiO₂, NaMnO₂通过离子交换法合成作为先导。

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