コバルトやニッケルを使わない、高エネルギー密度の電池正極材料を開発：研究開発の最前線

横浜国立大学は、ナノ構造を高度に制御した、リチウムマンガン酸化物材料の合成に成功した。コバルトやニッケルフリーの構成でありながら、同材料が高エネルギー密度の電池正極材料となることが分かった。

[MONOist]

　横浜国立大学は2024年8月23日、ナノ構造を高度に制御したリチウムマンガン酸化物材料（LiMnO₂）の合成に成功したと発表した。コバルトやニッケルフリーの構成でありながら、同材料が高エネルギー密度の電池正極材料となることが分かった。名古屋工業大学、島根大学との共同研究による成果だ。

　同大学が開発したLiMnO₂は、鉄のように埋蔵量が多く、安価なマンガンを活用。コバルトやニッケルを使わずに、既存のニッケル系層状材料と同等の約800Whkg⁻¹のエネルギー密度を達成した。従来の固相焼成法を用いて合成しており、低コストで大量に生産できる。

　約10分で8割程度の再充電が可能で、ニッケル系材料とほぼ同レベルの急速充電特性を備える。電池材料としての実用性が高く、電気自動車の急速充電にも対応する。

　さまざまなLiMnO₂の結晶多形を合成し、結晶構造と充放電時の相変化挙動などを分析したところ、複合的ドメイン構造を有することが分かった。また、比表面積の大きい試料を合成すると、高い電極特性を持つ材料となることも判明した。

左上：複雑なナノ構造を有するリチウムマンガン酸化物材料の原子分解能STEM像。左下：同材料のSEM像。右上：同材料の放電容量プロット。右下：同材料の急速充電特性［クリックで拡大］ 出所：横浜国立大学

　研究チームはこれまでに、高濃度のフッ素を含むリチウム過剰型マンガン系酸フッ化物（Li₂MnO_1.5F_1.5）が、ニッケル系材料と同レベルの高いエネルギー密度を示すことを明らかにしている。今回開発したLiMnO₂は、これに比べて合成手法が容易で、安いコストで量産できる。

　加えて、マンガン系材料は炭素被覆が必要ないため、今後の研究の進捗により、鉄系材料を下回るコストで高エネルギー密度かつ普及価格帯のリチウムイオン蓄電池を実用化できる。これにより、電気自動車の低価格化と高性能な電気自動車の開発が期待される。

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