【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　講師　小林弘明
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• レアメタルフリーかつ高容量なリチウムイオン電池正極材料を開発
• 鉄元素の使用によりサプライチェーンリスクを回避し低コスト化
• 鉄と酸素両方のレドックス反応^注１を活用
• 準安定相^注２を利用することで高容量が実現

【概要】

電気自動車（EV）やハイブリッド車（HV）に搭載されるリチウムイオン電池等の正極には、コバルトやニッケルなどのレアメタルが使用されています。蓄電池の世界市場が急拡大している中、レアメタルの産出国や精錬所は少数の国に偏在しているため、サプライチェーンリスクへの不安が増しています。資源リスク回避可能な正極材料として、安価な鉄を用いたリン酸鉄リチウム（LiFePO₄）が実用化されていますが、エネルギー密度^注３が低い問題があります。更なる高エネルギー需要の高まりにより、レアメタルフリーかつ高エネルギー密度の新しい正極材料開発が求められています。

逆蛍石型リチウム鉄酸化物（Li₅FeO₄）は、実用化しているLiFePO₄正極で利用されている鉄のレドックス反応に加えて酸素のレドックス反応も利用することができます。理論上はLiFePO₄正極の2倍以上の容量を示すことが予測され、近年世界的に再注目されています。しかしこれまで酸素のレドックス反応を十分に活用できず、LiFePO₄正極とほぼ同じ容量しか利用することができませんでした。

東北大学多元物質科学研究所小林弘明講師、本間格教授、名古屋工業大学大学院工学研究科中山将伸教授らの研究グループは、安価な鉄と酸素を用いた、レアメタルフリーかつ高エネルギーな新しいリチウムイオン電池正極材料の開発に成功しました。本研究では、メカニカルアロイング^注４を用いLi₅FeO₄を準安定化させることで、これまで十分に利用できなかった鉄と酸素のレドックス反応の両方の利用が可能となり、LiFePO₄正極に比べ約2倍の300 mAh/gを超える可逆容量を達成しました。サプライチェーンリスクを回避できる元素資源を用いてリチウムイオン電池の低コスト化と高エネルギー密度化が期待されます。

本成果は、2023年1月15日に米学術出版大手ワイリーの専門誌Advanced Energy Materials誌にオンライン掲載されました。

【用語解説】

注1.レドックス反応：
酸化還元反応のこと。還元（Reduction）反応と酸化（Oxidation）反応を略してレドックス (Redox)反応と呼ぶ。

注2.準安定相：
ある環境（例えば室温、大気中）において、不安定な状態でありながらも、その状態を長時間維持することができる相のこと。今回開発した準安定相は、数百度まで加熱されなければ年単位でその相が維持される。

注3.エネルギー密度：
電池から取り出せるエネルギー量の単位体積または単位質量当りの値。前者は(Wh/ℓ)、後者は(Wh/kg)で表す。

注4.メカニカルアロイング：
複数の粉末や硬質ボールなどを機械的に衝突・混合させ、その衝突エネルギーを利用して合金や新材料を合成するプロセス。低温で処理することが可能であり、低温条件でしか得られない相を合成するプロセスとしても活用されている。

詳細（プレスリリース本文）

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東北大学多元物質科学研究所
講師　小林　弘明　（こばやし　ひろあき）
電話　022-217-5816
E-mail　h.kobayashi*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所　
広報情報室
電話　022-217-5198
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