Study of fast charging/discharging mechanism at room temperature in multivalent ion batteries using carbon nanocomposite

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ポストリチウムイオン電池として期待される多価イオン電池において、室温での動作および高速充放電化を達成したカーボン複合体をモデル材料に、その要因を明らかにすることで、リチウムイオン電池用電極材料を多価イオン電池用電極材料に転換するための材料設計指針を得ることを目的としている。現時点で、マグネシウムイオン電池において室温動作・高速充放電が可能な正極材料として、リン酸鉄リチウム内包型カーボン複合体と、高電圧化・高エネルギー密度化が可能なリン酸バナジウムリチウム/カーボン複合体の創製に成功している。今年度は、複合化させるカーボン種や複合割合を変更した複合体材料、異種元素を固溶した複合体を作り分けることに成功した。それらの複合体をモデル材料に、In-situ X線回折(XRD)・X線吸収超微細構造解析(XAFS)などによる結晶構造の解析と電子顕微鏡観察による複合体構造の解析を行った。その解析から、リン酸バナジウムリチウム結晶がカーボンと直接接合することによって、結晶の格子定数・格子体積が伸長し、結晶の歪み・欠陥が生じていることが明らかとなった。より詳細に解析すると、結晶中のV-O八面体構造が変化しており、マグネシウムイオンの拡散経路が拡張され、マグネシウムイオンの拡散に有利な結晶構造に変化していることが示唆された。そのため、室温においてもマグネシウムイオンの脱挿入がスムーズとなり、発現容量が向上したこと、高速充放電が可能になったことが見出された。