解开长期以来围绕硫化物基电池材料性能之谜-详细分析规则和不规则结构硫化物基材料的充放电反应机理-

横滨国立大学／V体育／岛根大学／东北大学／群马大学／立命馆大学／国家同步辐射研究中心

这项研究的要点

〇结束电池材料性能的长期争议
〇锂过量硫化物基材料充放电反应机理的实验与理论分析
〇：将导致下一代高性能电池材料开发的成果

研究概述

横滨国立大学 Naoaki Yabuchi 教授、V体育 Masanobu Nakayama 教授、岛根大学 Koji Ohara 教授、东北大学 Yukio Takahashi 教授、群马大学 SR 中心、立命馆大学 SR 中心、国家同步辐射研究中心（台湾）铃木 Kosuke 副教授组成的研究小组进行了详细的研究从实验和理论角度分析结构有序和不规则性受控的富锂硫化物材料的充放电反应机理。结果表明，结构无序是关键，硫离子中不断进行的电子离域可以提高电子电导率和更高的电池性能。这项研究成果有望建立下一代电池材料设计指南，超越传统层状结构的限制，实现更高性能的锂离子电池。

该研究成果发表在美国化学会科学杂志《》上''》杂志。论文 DOI：101021/jacs5c04018

社会背景及研究成果

实现脱碳社会的运动正在全球范围内加速，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。近年来，与此类层状材料不同，具有不规则结构的岩盐型氧化物材料作为下一代正极材料已被广泛研究。众所周知，这些氧化物会降低电池特性，因为无序材料会减慢锂在固体中的移动。另一方面，对于硫化物基电极材料，已知岩盐结构具有更高的性能，并且当形成层状结构时性能显着恶化，但其原因仍不清楚，并且这种现象一直是电池材料研究中的一个长期谜团，并且一直是各种讨论的主题。

这项研究成果主要由横滨国立大学和V体育等团体开发。₂TiS₃)材料性能的因素。因此，在岩盐型硫化物材料中，所有硫离子都被锂离子包围，SLi₆产生了（图右下角），并且硫的电子被特别离域。与岩盐结构相反，理论上预测层状结构将具有局域电子（图右上）并且电导率下降。此外，实验证实，导电率根据硫的结构和局部环境而发生很大变化。岛根大学和国立同步辐射研究中心在大型同步辐射装置SPring-8的BL12B2上对硫化物材料进行了局部结构分析。东北大学使用 X 射线叠描法^（注1）测量揭示了硫化物材料在单颗粒水平上的充放电处理后硫的电子状态的变化及其空间分布的不均匀性。群马大学分析了硫化物材料的磁性。立命馆大学测量并分析了硫化物材料电子态的变化。

未来发展

与氧化物材料的既定理论相反，通过实验和理论相结合，在世界上首次揭示了以前被认为在硫化物材料方面性能较差的岩盐型材料可以表现出比层状材料更好的性能。预计这些研究的进展不仅会导致电池电极材料的演变以及由此带来的蓄电池性能的提高，而且由于结构变化而导致电导率发生较大变化的现象也将有助于硫离子导体和各种电子材料的研究进展，并有望引发许多衍生研究和应用。

这项研究是横滨国立大学、V体育、岛根大学、东北大学、群马大学、立命馆大学和国家同步辐射研究中心（台湾）联合研究的结果，并得到了科学研究援助基金 (A)“离子拥塞研究”（项目编号 24H02204）的支持。

术语表

（注1）X射线叠层摄影
一种称为相干 X 射线衍射成像的 X 射线显微镜方法。当用相干X射线照射样品时，对样品进行二维扫描，使得X射线照射区域在样品表面上重叠，并测量在每个扫描点在样品后面观察到的相干衍射强度图案。通过对以此方式获得的多个衍射强度图案执行相位恢复计算来重建样本图像。

联系信息

研究相关事宜

横滨国立大学工学研究生院教授
薮内直明
电话：045-339-4198
电子邮件：yabuuchi-naoaki-pw[at]ynuacjp

V体育生命与应用化学系教授
中山正信
电话：052-735-5189
电子邮件：nakayamamasanobu[at]nitechacjp

岛根大学材料与能源学部材料与能源系教授
大原浩二
电话：0852-32-6655
电子邮件：ohara[at]matshimane-uacjp

东北大学国际同步辐射创新与智能研究中心横向研究部数据可视化智能实验室教授
（东北大学多学科材料科学研究所、东北大学材料研究所）
高桥幸雄教授
电话：022-217-5166
电子邮件：ytakahashi[at]tohokuacjp

群马大学研究生院理工学系副教授
铃木浩介（铃木浩介）
电话：0277-30-1718
电子邮件：kosuzuki[at]gunma-uacjp

立命馆大学科学技术研究机构SR中心客座助理教授
柴田大辅
电话：077-561-2806
电子邮件：dshibata[at]fcritsumeiacjp

国家同步辐射研究中心（台湾）
春八台湾光束线助理研究员
石井博文
电话：0791-58-1867
邮箱：ishii[at]nsrrcorgtw

公共关系很重要

横滨国立大学总务企划部关系推进课
电话：045-339-3027
电子邮件：press[at]ynuacjp

V体育企划公关科
电话：052-735-5647
电子邮件：pr[at]admnitechacjp

岛根大学企划部企划公关部公关组
电话：0852-32-6603
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东北大学综合材料科学研究所公共关系信息办公室
电话：022-217-5198
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群马大学桐生地区行政部行政科总务课（公共关系）
电话：0277-30-1014
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立命馆大学综合企划部公共关系课
电话：075-813-8300
电子邮件：r-koho[at]stritsumeiacjp

国家同步辐射研究中心
春八台湾光束线办公室
电话：0791-58-1867
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