通过氯化物电极的氧化还原级设计，实现铁基全固态电池的世界最高性能水平 ~ 提出利用氯的新电极设计指南 ~

演示要点

〇〇 专注于含有氯的氯化物电极，氯的电负性（*1）比氧更高。
〇 建立一个氧化还原水平（*2）模型，可以解释操作电位以及是否存在氯解吸。
〇〇通过阴离子置换调节氧化还原水平，实现高容量，同时抑制氯解吸。
〇​使用资源优势的铁基材料的全固态电池，实现了世界顶级的能量密度。

总结

V体育生命与应用化学系助理教授谷端直人领导的研究小组专注于氯化物电极而不是传统的主流氧化物，以开发全固态电池，即下一代高性能电池。虽然氯化物具有能够在高电压下工作的优点，但它们存在过度充电时产生氯气（氯解吸）的问题。在这项研究中，我们组织了3D过渡金属氯化物的电子态，并构建了一个“氧化还原能级模型”，可以解释工作电位与氯解吸之间的关系。

此外，通过用氧气替换氯化铁 (Li2FeCl4) 中的部分氯，我们成功地调节了氧化还原水平并增加了容量，同时抑制了氯的解吸（图 1）。因此，我们成功地在利用铁这种丰富且廉价的资源的全固态电池中实现了世界一流的能量密度（330 Wh/kg-阴极）。

该研究成果发表在Wiley出版的国际学术期刊《先进能源材料''》杂志。论文 DOI：101002/aenm202504110

研究背景

锂离子电池广泛应用于智能手机和电动汽车，但对更高能量密度和安全性的需求强烈。作为解决这一问题的方案，用固体电解质代替液体电解质的全固态电池引起了人们的关注。在这项研究中，我们的目标是提高全固态电池的能量密度，并重点关注预计在高电压下运行的氯化物电极。氯化物电极会在传统的液体电解质中浸出，但具有固体电解质的固态电池可以克服这个问题，并且往往比氧化物电极在更高的电压下工作。然而，一个主要问题是过度充电会产生氯气，从而降低性能。为了克服这一挑战，必须了解氯化物的电子态并制定设计指南，以在抑制气体产生的同时实现高容量。

研究内容/结果

在这项研究中，我们首先研究了多个氯电极的工作电位与氯解吸之间的关系，并提出了一个可以用固态化学来解释的模型。然后，我们进行了“阴离子置换”，其中部分氯化铁（Li2FeCl4）被氧气置换，以有意调节氧化还原水平。结果，我们成功地在抑制氯解吸的同时，获得了比以前更大的容量。

社会意义

铁在地球上储量丰富，是一种廉价且安全的资源材料。使用铁作为电极材料实现世界一流的能量密度的这一成就是朝着开发可持续的下一代电池迈出的重要一步。此外，本研究建立的“氧化还原水平设计指南”将作为未来全固态电池发展的重要指南，有望直接为社会脱碳和可再生能源的稳定利用做出贡献。

未来展望

在本研究中，使用了用氧进行阴离子取代，但通过尝试用氧以外的元素进行取代，有望进一步提高性能。此外，除了氯化物材料外，我们还计划开发多种其他材料体系，例如氧化物和硫化物，以开发更安全、更高性能的全固态电池。

术语表

(*1) 电负性
原子吸引电子强度的指标。马利肯的定义表明氯比氧更具负电性。

(*2) 氧化还原水平
氧化还原反应涉及的能量水平。这是决定电极工作电位的因素。

论文信息

论文标题：高能量密度氯化物电极的氧化还原水平设计
作者姓名：Naoto Tanibata*、Shin Aizu、Takuhiro Sasadaira、Hayami Takeda、Masanobu Nakayama（*通讯作者）
出版杂志名称：先进能源材料
发布日期：2025 年 9 月 18 日
DOI：101002/aenm202504110
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