新型非晶質カソードで低電圧酸素二量体レドックス機構を解明(New Amorphous Cathode Reveals Low-Voltage Oxygen Dimer Redox Mechanism)

2025-08-13 北京大学(PKU)

北京大学材料科学与工程学院の丁国霞教授らは、アモルファスLi-V-O-F正極で低電圧酸素二量体(O–O)レドックス機構を発見しました。従来の結晶性正極(八面体配位)では酸素損失や電圧降下が課題でしたが、本研究は四面体配位を保持する非晶質構造で可逆的なO–O結合形成・解離が起こることを実証。X線分光やRIXS解析で酸化が主に酸素に起因することを確認しました。第一原理シミュレーションでは、非晶質構造が自発的で熱力学的に安定なO–O二量体形成を可能にすることを示しました。電気化学試験では300 mAh/g超の高容量、急速なLiイオン輸送、長期安定性を実現。これは非晶質材料を次世代リチウムイオン電池に適用可能とする画期的成果で、電動車や蓄電網への応用が期待されます。研究成果はNature Materialsに掲載されました。

新型非晶質カソードで低電圧酸素二量体レドックス機構を解明(New Amorphous Cathode Reveals Low-Voltage Oxygen Dimer Redox Mechanism)
Fig. 1: Resulting simulated delithiated structures under AIMD.

<関連情報>

低電圧下における四面体配位とO–O形式酸化還元を有する非晶質Li–V–O–F正極材料 An amorphous Li–V–O–F cathode with tetrahedral coordination and O–O formal redox at low voltage

Kun Zhang,Tonghuan Yang,Tao Chen,Yali Yang,Zewen Jiang,Chuan Gao,Yuxuan Zuo,Wukun Xiao & Dingguo Xia
Nature Materials  Published:22 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02293-9

Abstract

The ever-increasing demand for lithium-ion batteries has necessitated the development of high-performance cathode materials. However, previous studies have predominantly focused on crystal cathodes comprising the octahedral coordination of metal atoms and a well-ordered layered topology. This omits other cathode materials with other structures or coordination that could potentially surpass conventional counterparts in terms of performance. Here, using X-ray diffraction, resonant inelastic X-ray scattering and X-ray absorption near-edge spectra experiments, we investigated an amorphous Li–V–O–F cathode (a-LVOF) with tetrahedral coordination and elucidated an O–O formal redox mechanism at a moderate voltage of 4.1 V, without a conventional octahedral Li–O–Li configuration. The electrochemically amorphized material fosters randomly distributed VO4 units and scattered dangling oxygen bonds, which facilitated O–O binding. Moreover, a-LVOF demonstrates a high capacity of 230 mAh g−1. Our findings reveal a low-voltage O–O formal redox mechanism in an amorphized cathode material.

0703金属材料
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