安価で高エネルギー密度、長サイクル寿命のハロゲン化物材料を発見
| Jerry Huang
編集者注：エネルギー貯蔵分野において、全固体電池は次世代エネルギー貯蔵技術の最良のソリューションと目されていますが、その開発は長年にわたり電極材料の重大なボトルネックによって制約されてきました。従来の全固体電池（ASSB）は、一般的に活物質、固体電解質、導電助剤からなる電極を備えています。しかし、これらの不活性成分（電極体積の40～50%を占める）は、エネルギー密度を低下させるだけでなく、界面副反応を誘発し、リチウムイオン輸送の屈曲性を高めます。「オールインワン」設計（高い導電性と電気化学活性を示す材料）はこれらの問題を解決できる可能性がありますが、酸化物（低容量）や硫化物（高コスト）といった既存の材料は、将来の市場の要求を満たすのに苦労しています。ハロゲン化物は低コストと高いイオン伝導性という利点がありますが、電子伝導性とエネルギー密度が不十分です。そのため、高い電気化学性能、安価な拡張性、そして機械的安定性を兼ね備えたオールインワン材料の開発が重要な課題となっています。
素晴らしい例をご紹介します。カナダのウェスタンオンタリオ大学の研究チームが、Nature誌に掲載された論文で革新的な答えを提示しました。彼らは、動的な自己修復機能と3 in 1の統合（正極／電解質／導電体）を特徴とする世界初のハロゲン化物材料、Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄を設計したのです。可逆的なFe²⁺/Fe³⁺酸化還元反応と、独自の脆性から延性への遷移メカニズムにより、この材料は3,000サイクル後も90%の容量を維持し、電極エネルギー密度は529.3 Wh kg⁻¹（複合設計により725.6 Wh kg⁻¹まで拡張可能）を達成しています。さらに注目すべきは、そのコストが従来の電極のわずか26%に抑えられていることです。シンクロトロン放射光と原子シミュレーションを組み合わせることで、鉄の移動によって引き起こされる自己修復メカニズムが初めて明らかになりました。この研究は、全固体電池の中核材料を開発するだけでなく、材料、メカニクス、電気化学を統合したオールインワン設計のパラダイムレベルの事例を提供するものです。研究者の皆様の多大なご尽力に感謝申し上げます。
抽象的な
全固体電池は、高エネルギー密度と経済性という潜在能力を実現するために、高度な正極設計を必要とする。不活性導電助剤や異種界面を排除した一体型正極は、エネルギーと安定性の大幅な向上が期待できるが、Li+/e-導電性、機械的堅牢性、構造安定性が不十分な材料が実現を阻んでいる。本研究では、これらの課題を克服した費用対効果の高いハロゲン化物材料、Li1.3Fe1.2Cl4を紹介する。Li1.3Fe1.2Cl4は、そのフレームワーク内で可逆的なFe2+/Fe3+酸化還元反応と迅速なLi+/e-輸送を利用することで、Li+/Liに対して529.3 Wh kg-1の電極エネルギー密度を実現する。特に、Li1.3Fe1.2Cl4は、充放電サイクル中に可逆的な局所Fe移動や、自己修復挙動をもたらす脆性から延性への転移など、独自の動的特性を示す。これにより、5Cのレートで3,000サイクルにわたって90%の容量維持率を維持するという、卓越したサイクル安定性が実現しました。Li1.3Fe1.2Cl4をニッケルリッチ層状酸化物と組み合わせることで、エネルギー密度はさらに725.6Wh/kgに向上します。オールインワンハロゲン化物の優れた動的機械特性と拡散特性を活用することで、本研究は、オールインワンハロゲン化物を次世代全固体電池におけるエネルギー密度が高く耐久性の高い正極材料への道筋として確立しました。
参考文献
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1