Research Abstract


Origin of stabilization and destabilization in solid-state redox reaction of oxide ions for lithium-ion batteries

2016年12月23日 Nature Communications 7 : 13814 doi: 10.1038/ncomms13814


リチウム電池は、排ガスゼロ車実現へと向けて、エネルギー密度のさらなる向上が必要になる。しかし、商業用に用いられている正極では、理論的な限界が存在するためエネルギー密度が制限されている。その理論的な限界を超えるようなエネルギー密度を実現する方法として可能性があるのは、従来技術である遷移金属の酸化還元反応の代わりに、陰イオン(酸化物イオン)の酸化還元反応を利用することである。それにもかかわらず、酸化物イオンの活性化の起源や安定化のメカニズムは十分わかっていない。今回我々は、リチウム脱離の際、超酸化物様の物質の形成を抑制することで酸化物イオンの可逆的な酸化還元が実現され、相対的に共有結合性の弱いMn4+が酸化物イオンとともに存在することによって電気伝導度を犠牲にせずに安定化されることを実証している。また我々は、この発見を基に、金属成分が3d遷移金属元素のみからなる電極材料について報告している。この電極材料は、酸化物イオンの固相酸化還元反応に基づき、300 mAh g-1という可逆容量を実現している。

Naoaki Yabuuchi, Masanobu Nakayama, Mitsue Takeuchi, Shinichi Komaba, Yu Hashimoto, Takahiro Mukai, Hiromasa Shiiba, Kei Sato, Yuki Kobayashi, Aiko Nakao, Masao Yonemura, Keisuke Yamanaka, Kei Mitsuhara and Toshiaki Ohta

Corresponding Author

薮内 直明
東京電機大学 工学部 環境化学科

Further increase in energy density of lithium batteries is needed for zero emission vehicles. However, energy density is restricted by unavoidable theoretical limits for positive electrodes used in commercial applications. One possibility towards energy densities exceeding these limits is to utilize anion (oxide ion) redox, instead of classical transition metal redox. Nevertheless, origin of activation of the oxide ion and its stabilization mechanism are not fully understood. Here we demonstrate that the suppression of formation of superoxide-like species on lithium extraction results in reversible redox for oxide ions, which is stabilized by the presence of relatively less covalent character of Mn4+ with oxide ions without the sacrifice of electronic conductivity. On the basis of these findings, we report an electrode material, whose metallic constituents consist only of 3d transition metal elements. The material delivers a reversible capacity of 300 mAhg-1 based on solid-state redox reaction of oxide ions.