山本健太郎 人間・環境学研究科特定准教授（現：奈良女子大学准教授）、内本喜晴 同教授らの研究グループは、トヨタ自動車株式会社、東京大学、兵庫県立大学、東北大学、東京科学大学と共同で、リチウムイオン二次電池を超える次世代の二次電池として期待されている全固体フッ化物イオン二次電池用の新規高容量インターカレーション正極材料の開発に成功しました。本研究では逆ReO3型構造を有する窒化物Cu3N正極が、現在のリチウムイオン二次電池正極の2倍を優に超える550 mAh/gの高い容量を示すことを見出しました。フッ化物イオンの挿入・脱離機構をX線吸収分光法、共鳴非弾性X線散乱法などさまざまな分析技術を用いて多角的に解析した結果、Cu3N正極はフッ化物イオン挿入時に構造内で分子状窒素を形成する（窒化物イオンの電荷補償を活用する）ことで、結晶構造から予想されるよりも遥かに多くのフッ化物イオンを可逆的に挿入可能にしていることを明らかにしました。これまでの蓄電池では、正イオンの遷移金属の価数変化を利用していましたが、負イオンである窒素の価数変化を活用した超セラミックス正極材料の報告は世界初であり、従来と比べてはるかに高容量を実現できることから、蓄電池の革新が起こる可能性を示したものです。
本研究成果は、2025年1月13日に、国際学術誌「Journal of the American Chemical Society」にオンライン掲載されました。
【DOI】
https://doi.org/10.1021/jacs.4c12391
【書誌情報】
Datong Zhang, Kentaro Yamamoto, Zulai Cao, Yanchang Wang, Zhuoyan Zhong, Hisao Kiuchi, Toshiki Watanabe, Toshiyuki Matsunaga, Koji Nakanishi, Hidenori Miki, Hideki Iba, Yoshihisa Harada, Koji Amezawa, Kazuhiko Maeda, Hiroshi Kageyama, Yoshiharu Uchimoto (2025). Cathode Design Based on Nitrogen Redox and Linear Coordination of Cu Center for All-Solid-State Fluoride-Ion Batteries. Journal of the American Chemical Society.
