従来比2倍以上の可逆容量を示す、全固体フッ化物イオン二次電池正極材料を開発：研究開発の最前線

京都大学は、従来のリチウムイオン二次電池正極容量の2倍以上の可逆容量を示す、鉄系全固体フッ化物イオン二次電池正極材料を開発した。希少金属のリチウムを使用せず、安価なFe、Caを主成分としている。

[MONOist]

　京都大学は2025年6月20日、従来のリチウムイオン二次電池正極容量の2倍以上の可逆容量を示す、鉄系全固体フッ化物イオン二次電池正極材料を開発したと発表した。奈良女子大学、量子科学技術研究開発機構、東京大学、東京科学大学との共同研究による成果だ。

　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。

　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。

　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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