　今回の研究では、ありふれた元素で正極を開発するため、地殻存在度4位の鉄（Fe）と同5位のカルシウム（Ca）、同1位の酸素を主成分とする酸化物Ca_0.8Sr_0.2FeO₂に着目。この酸化物から得られるペロブスカイト酸フッ化物Ca_0.8Sr_0.2FeO₂F_xが、580mAh g^－1という高い可逆容量を示すことを発見した。これは、既存のリチウムイオン二次電池正極材料の2倍を超える数値となる。

Ca0.8Sr0.2FeO2Fxの正極の充放電曲線［クリックで拡大］出所：京都大学

　同材料のフッ化物イオン（F^－1）の挿入と脱離機構を共鳴非弾性X線散乱法などを用いて解析したところ、遷移金属カチオンと酸化物イオンが電荷補償を担っていることが分かった。酸化物イオンが電荷補償をする際、構造内で分子状酸素を形成することで、結晶構造から予想されるよりも多くのF^－1を可逆的に挿入できた。また、その時の体積変化率が小さいことから、高容量かつ高サイクル特性につながっていることが示唆された。

充電前後におけるSrFeO2Fx正極のO-K吸収端での共鳴非弾性X線散乱スペクトル。挿入図は0eV付近の拡大図で、振動ピークが分子状酸素の存在を示唆する［クリックで拡大］出所：京都大学

　エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池は、スマートフォンなどの携帯機器や電気自動車の電源として利用されている。希少金属のリチウムを使用せず、安価なFe、Caを主成分とし、かつ高容量を達成した材料を開発したことで、航続距離が従来の2倍となる安全、安価な電気自動車の実用化が期待される。

　また、ペロブスカイト化合物は、元素の選択性が豊富だ。今後、構造内での酸素分子結合の形成を用いた多量のF^－1の挿入、脱離反応を制御することで、より優れた特性を示す正極材料の開発を目指す。

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