遷移金属の層状複水酸化物を正極とした新しい電気化学デバイスの材料設計と創製

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Ni-Al層状複水酸化物(LDH)に関して、水熱ホットプレス法を用いて物性測定に使用する緻密体の作製方法を確立した。溶媒として水ではなく、水酸化ナトリウム水溶液を使用することが重要であり、相対密度で90 wt%を超える緻密体が得られた。これらの緻密体は、厚み方向にLDHの層間方向(c軸方向)が揃うように選択配向していた。得られたLDH緻密体の熱処理を試みたところ、昇温速度を制御することにより、緻密体を破壊することなく、層間イオンと水酸化物イオンを脱離させることに成功した。これは作製したLDH緻密体において、層間イオンの移動が可能なことを示している。また、このとき、緻密体は異方的な収縮を示し、厚み方向に大きく収縮した。層間イオンと水酸化物イオンの脱離後は、結晶性の低い岩塩構造に変化するとともに選択配向が解消されることが観察された。このとき水酸化物層を構成するNiとAlの局所環境にも変化が生じていることがX線吸収分光法によって明らかになった。さらに再水和処理を行うと水酸化物イオンよりも炭酸イオンが多く層間に導入されることが明らかになり、緻密体においても層間イオンの挿入脱離が可能であることが実証された。予備的な段階ながら、試作した電気化学デバイスにおいても、電流の流れる方向に極性が見られ、イオンの挿入脱離に伴う反応が起こっていること可能性が示された。また、結晶構造に関する考察により、層間に導入可能な物質の量には限界があるため、層間で伝導キャリアを担う物質が層間イオンやプロトン、水酸化物イオンで変化しうることが示唆された。これらの結果は高機能正極の設計につながる知見となる。