極限動作条件下におけるバッテリー正極材料の劣化機構を解明(Researchers Reveal Failure Mechanism of Battery Cathode Materials under Extreme Operating Conditions)

2026-07-03 中国科学院(CAS)

中国科学院の研究チームは、リチウムイオン電池の代表的な正極材料であるLiCoO₂を約5 VというLiCoO₂の通常使用範囲を超える高電圧条件で充放電した際に生じる劣化機構を、超高分解能透過電子顕微鏡で原子レベルから解明した。従来は表面での酸素脱離や相転移が主因と考えられていたが、実際には結晶全体で格子変形が先行し、O₃、O₁、O₃rドメインからなるモザイク構造や双晶、高ひずみ構造が形成されることが判明した。これらの変形は粒内亀裂を誘発し、さらに酸素損失と結び付くことで、多層サンドイッチ状の劣化層が形成され、リチウムイオンの再挿入を阻害して容量低下を加速する。この成果に基づき、研究チームはMgによる「柱状」ドーピングと硫黄添加を組み合わせた構造安定化手法を提案した。Mg/S共添加試料では5V・10サイクル後の容量保持率が67.73%から83.93%へ向上し、格子変形や亀裂形成も大幅に抑制された。本研究は、高エネルギー密度リチウムイオン電池の高耐久正極設計に向けた新たな理論基盤を提供するとともに、高性能電子顕微鏡によるエネルギー材料解析の重要性を示した。

極限動作条件下におけるバッテリー正極材料の劣化機構を解明(Researchers Reveal Failure Mechanism of Battery Cathode Materials under Extreme Operating Conditions)
Schematic illustration of the atomistic failure mechanism of LiCoO2 under extreme high-voltage operation. (Image by IMR)

<関連情報>

LiCoO₂正極における超高電圧故障の原子レベルでの起源 Atomic Origins of Ultrahigh-Voltage Failure in LiCoO2 Cathodes

Xulin Mu,Yutao Niu,Chenhao Zhang,Xinghua Tan,Hong Li,Feng Li,Chunyang Wang
Journal of the American Chemical Society  Published: June 21, 2026

Abstract

Pushing lithium cobalt oxide (LCoO2) toward extremely high-voltage operation up to 5V is critical to boosting a battery’s energy density for future compact electronics. However, its degradation mechanisms at such extreme voltages remain unexplored. Here, we employ machine-learning-aided super-resolution electron microscopy to directly visualize, at atomic resolution, how LCoO2 structurally deteriorates under 5 V for the first time. We discover that deep delithiation activates global deformation in which in-plane shear breaks the O3 lattice into nanoscale mosaics of O1 and reoriented O3 domains, while out-of-plane distortions drive cracking and kinetically trapped structural motifs. Upon extended cycling, these coupled chemomechanical processes evolve into a frustrated surface architecture comprising intertwined misoriented domains and antiphase boundaries. Building on these mechanistic insights, we deliver a proof-of-concept demonstration that rationally designed codoping provides a targeted route to mitigate the coupled deformation and phase-degradation cascade, markedly pushing the cycling stability of LiCoO2 toward unprecedented ultrahigh voltage. Our work establishes a new paradigm for materials optimization by leveraging atomic-scale diagnostics to mitigate degradation at its origin.

1701物理及び化学
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