群大ら,放射光X線でリチウムの高容量化に指針


群馬大学,高輝度光科学研究センター,横浜国立大学,立命館大学,京都大学,フィンランド ラッペーンランタ大学,米カーネギーメロン大学,米ノースイースタン大学は,大型放射光施設SPring-8の高輝度・高エネルギー放射光X線を用いた散乱実験と理論計算との併用から,リチウム過剰系正極材料の電子状態を明らかにし,高容量化の鍵となる特徴的な酸素(O)アニオンの酸化・還元軌道の可視化に成功した(ニュースリリース)。

リチウム過剰系正極材料は,結晶格子内に1以上のリチウムを含むことができる正極材料のことをさす。多くのリチウムを持つことから次世代の高容量正極材料候補群として期待されている。リチウム過剰系正極材料の高容量化には酸素の寄与が指摘されているが,実験上の難しさから酸素の電子状態については十分に明らかにされていなかった。

研究グループは,リチウム量の異なるリチウム過剰系正極材料LixTi0.4Mn0.4O2(x=0.4と0.8)に,100keV以上の高エネルギー放射光X線を用いるコンプトン散乱法を適用した。実測されるコンプトン散乱X線エネルギースペクトル(コンプトンプロファイル)を詳細に解析することで,リチウム挿入によってもたらされる電子がOサイトを占有すること,さらにマンガン(Mn)3d電子とO 2p電子との間でクーロン反発が起こり,Mn 3d軌道が局在化することがわかったという。

Mn 3d軌道が局在化することで,Mn 3d軌道とO 2p軌道との結合が弱まりO 2p軌道が孤立した状態になる。研究では実験結果を第一原理計算結果と比較することで,孤立した状態にあるO 2p軌道の可視化に成功し,高容量化の鍵となる孤立状態にあるO 2p軌道の寄与の直接的な証拠を得た。

今回の成果は,高エネルギー放射光X線コンプトン散乱法の特徴であるバルク敏感な測定手法であることと,実測される物理量(コンプトンプロファイル)が物質内電子の波動関数を反映するため電子状態を定量的に評価できる測定手法であることから得られたもの。

これについて研究グループは,リチウム過剰系正極材料の高容量発現メカニズムの基礎的な理解を深め,酸化・還元軌道の状態分布を識別子とした高容量正極材料の設計指針を与えると共に,アニオンの電子状態を評価する手法として蓄電池の設計や正極材料の開発に資することが期待されるとしている。

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