リチウム資源問題を解決する常温作動型ナトリウム二次電池の開発

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リチウム二次電池の電荷単体を資源豊富なナトリウムに置き換えることができると、資源偏在性のあるリチウムを用いず、かつ比較的高エネルギー密度な二次電池を実現可能である。本研究では、高容量かつ長寿命なナトリウム二次電池用正極材料の探索・合成し、電極材料の高性能化を目指すとともに、充放電メカニズムの解明を目的としている。本研究代表者は、高容量リチウム二次電池材料として知られる層状構造を有するLi2MnO3に着目し、この材料中のリチウムを電気化学的にナトリウムとイオン交換することにより、高容量ナトリウム正極材料の開発を試みた。イオン交換により得られたナトリウム正極材料の充放電特性は出発材料の焼成温度により異なり、800℃で作製したLi2MnO3において最も優れた特性を示し、初期放電容量は200 mAh/g以上とリチウム二次電池用正極材料の容量に匹敵する値を示し、容量維持率は30サイクル後において80%以上と既存のナトリウム正極材料と比べ同等以上であった。また、本研究で得られた高容量正極材料についてナトリウム挿入脱離過程における結晶構造の変化も調査した。X線回折測定および透過電子顕微鏡観察の結果から、ナトリウム挿入により、Li2MnO3の長周期の規則構造が失われ、粒子内に数nm程度の短周期構造を有するナノドメインが形成されることがわかった。さらに、ナトリウムを脱離させた試料のX線回折図からは結晶性のピークが観察され、再び長周期の規則性が回復することがわかった。