原子レベルの構造制御で長寿命リチウムイオン電池を設計(Atomic disorder improves battery lifespan)

2026-03-23 スタンフォード大学

米国のスタンフォード大学の研究チームは、リチウムイオン電池の寿命を延ばす新たな要因として「原子レベルの無秩序構造」に注目した。従来は結晶構造の規則性が重要と考えられていたが、本研究では適度な原子配置の乱れが電極材料の劣化を抑制し、充放電サイクルの安定性を向上させることが明らかになった。この無秩序構造は、イオン移動経路の柔軟性を高め、構造崩壊を防ぐ役割を果たす。これにより、より長寿命で高性能な電池設計への新たな指針が示され、電気自動車や再生可能エネルギー分野への応用が期待される。

<関連情報>

ドーパントフリーLiNi0.9Mn0.1O2カソードにおける格子崩壊を電気化学的に誘起された部分的なカチオン無秩序によって抑制する Eliminating lattice collapse in dopant-free LiNi0.9Mn0.1O2 cathodes via electrochemically induced partial cation disorder

Junghwa Lee,Zhelong Jiang,Nicolas B. Liang,Jin Hwan Kwak,Howie Nguyen,Grace M. Busse,Yiseul Yoo,Hari Ramachandran,Kipil Lim,Peter M. Csernica,Tianyi Li,Xin Xu,Kyung Yoon Chung,Kathrin Michel,Joop E. Frerichs,William E. Gent,Raphaële J. Clément,Jungjin Park & William C. Chueh
Nature Energy  Published:27 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41560-025-01910-w

原子レベルの構造制御で長寿命リチウムイオン電池を設計(Atomic disorder improves battery lifespan)

Abstract

Layered oxide cathodes for lithium-ion batteries typically undergo large expansion and contraction during cycling, including a particularly abrupt shrinkage along the c lattice (c-collapse) at high states of charge, which limits their lifetime. Here we suppress the c-collapse in compositionally simple LiNi0.9Mn0.1O2 by electrochemically inducing partial disorder that is permanently retained throughout the bulk. Our approach leverages irreversible oxygen oxidation in Li-excess Ni-rich oxides to activate partial disordering of the cation sublattice, while preserving the long-range layered structure. By varying the initial Li-excess, we obtain Li-stoichiometric transition-metal oxides with tunable cation disorder. Surprisingly, when the concentration of transition-metal ions occupying Li sites (TMLi) reaches ≥12%, the c-lattice parameter remains nearly invariant during (de)lithiation, reducing chemical strain, preserving microstructural integrity and extending battery cycle life. The resulting material displays high specific capacity, long-term stability, small voltage hysteresis and negligible voltage decay. This concept opens the possibility of designing materials by inducing persistent intrinsic disorder electrochemically.

0501セラミックス及び無機化学製品
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました