【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　雨澤浩史
研究室ウェブサイト

【概要】

京都大学大学院人間?環境学研究科　山本健太郎　特定准教授（現：奈良女子大学研究院工学系准教授）、内本喜晴　教授らの研究グループは、トヨタ自動車株式会社、東京大学、兵庫県立大学、東北大学、東京科学大学と共同で、リチウムイオン二次電池^※1を超える次世代の二次電池として期待されている全固体フッ化物イオン二次電池^※2用の新規高容量インターカレーション^※3正極材料の開発に成功しました。本研究では逆ReO₃型構造を有する窒化物Cu₃N正極が、現在のリチウムイオン二次電池正極の2倍を優に超える550 mAh/gの高い容量を示すことを見出しました（図1）。フッ化物イオンの挿入?脱離機構をX線吸収分光法、共鳴非弾性X線散乱法^※4などさまざまな分析技術を用いて多角的に解析した結果、Cu₃N正極はフッ化物イオン挿入時に構造内で分子状窒素を形成する（窒化物イオンの電荷補償を活用する）ことで、結晶構造から予想されるよりも遥かに多くのフッ化物イオンを可逆的に挿入可能にしていることを明らかにしました。これまでの蓄電池では、正イオンの遷移金属の価数変化を利用していましたが、負イオンである窒素の価数変化を活用した超セラミックス^※5正極材料の報告は世界初であり、従来と比べてはるかに高容量を実現できることから、蓄電池の革新が起こる可能性を示したものです。

本成果は、2025年1月13日に米国の国際学術誌「Journal of the American Chemical Society」にオンライン掲載されました。

【用語解説】

(※1) リチウムイオン二次電池
エネルギー密度が高く、スマートフォンやノートパソコ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二次電池です。正極?負極の電極と有機溶媒を用いた電解質が主な構成要素であり、リチウムイオンが動くことで充放電反応が進行します。移動用電源として用いられる場合、大型化とともにさらなる安全性の向上が開発の至上命題となっています。

(※2) 全固体フッ化物イオン二次電池
電解質として固体のフッ化物イオン伝導体が用いられ、正極?負極間でフッ化物イオンが動くことで充放電反応が進行する二次電池です。現在最も普及しているリチウムイオン二次電池と比較して、高エネルギー密度、高安全性、低コストが実現可能な次世代の二次電池系として期待されています。2011年以降に研究開発が加速しましたが、克服すべき課題も多くあります。

(※3) インターカレーション
物質の空隙に他の物質が挿入される現象または反応の総称です。

(※4) 共鳴非弾性X線散乱法
物質の内殻準位に共鳴するX線を照射し、散乱されたX線をエネルギー分解することによって、バルク敏感かつ元素ごとに、電子励起状態や振動などの物質が持つ素励起を調べることができる分光手法です。

(※5) 超セラミックス
無機材料に分子性のユニットを組み込んだ物質群を「超セラミックス」と定義しています。

【論文情報】

タイトル：Cathode Design Based on Nitrogen Redox and Linear Coordination of Cu Center for All-solid-state Fluoride-Ion Batteries
著者：Datong Zhang, Kentaro Yamamoto*, Zulai Cao, Yanchang Wang, Zhuoyan Zhong, Hisao Kiuchi, Toshiki Watanabe, Toshiyuki Matsunaga, Koji Nakanishi, Hidenori Miki, Hideki Iba, Yoshihisa Harada, Koji Amezawa, Kazuhiko Maeda, Hiroshi Kageyama, and Yoshiharu Uchimoto
掲載誌：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c12391

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所
教授　雨澤 浩史（あめざわ こうじ）
TEL： 022-217-5340
Email：koji.amezawa.b3*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
Email：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）