電池材料の表面をフッ素で変え、内部構造と界面反応を同時に安定化 ~高容量リチウムイオン電池の長寿命化につながる新たな材料設計指針~

2026-08-26 信州大学

信州大学とフランス・モンペリエ大学の研究グループは、ニッケルリッチ層状酸化物NCM811の粒子表面近傍をフッ素化することで、高容量リチウムイオン電池の結晶構造と電極-電解液界面を同時に安定化する手法を開発した。XeF₂を用いて表面近傍にフッ素濃化領域を形成し、X線回折、XPS、電気化学測定、オペランド赤外分光、第一原理計算などで作用機構を解析した。その結果、フッ素化により高電圧充電時の格子収縮とH2→H3相転移に伴う急激な構造変化が緩和されるとともに、電解液中のDMCの吸着状態が変化し、電解液分解とCEIの過剰成長も抑制された。さらに正極の安定化が電解液を介して負極にも波及し、正極-負極間のクロストークを低減。黒鉛負極とのフルセルでは100サイクル後の容量維持率が77%から93%へ向上した。表面を単に保護するのではなく、元素配置によって電池全体の反応を制御する新たな材料設計指針を示した。

電池材料の表面をフッ素で変え、内部構造と界面反応を同時に安定化 ~高容量リチウムイオン電池の長寿命化につながる新たな材料設計指針~

<関連情報>

表面フッ素化によるニッケルリッチNCM811の構造および界面の統一的安定化 Unified structural and interfacial stabilization of Ni-rich NCM811 via surface-enriched fluorination

Nobuyuki Zettsu,Attila Taborosi,Daniela Maria Josepetti,Youn Charles-Blin,Takumi Kondo,Kensuke Tsunoda,Kenjiro Hara,Hiromasa Shiiba,Shunsuke Narumi,Tien Quang Nguyen,Michihisa Koyama,Long Hoang Bao Nguyen & Nicolas Louvain
Communications Materials  Published:20 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s43246-026-01330-7

Abstract

Fluorine incorporation offers a powerful route to stabilize Ni-rich layered cathodes, yet its atomic-scale impact on structural evolution, interfacial chemistry, and electrode–electrode cross-talk has remained poorly understood. Here, we demonstrate that a controlled XeF2 solid–gas fluorination process creates a fluorine-enriched near-surface region in LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, modifying both structural evolution and electrolyte interactions. Fluorination reduces c-axis contraction, moderates structural changes associated with the H2 → H3 transition, and improves Li+ transport kinetics. Spectroscopic analysis reveals that the modified surface promotes preferential DMC adsorption via O···TM/Li coordination on the (104) facet, suppressing EC-driven electrolyte decomposition and suppressing CEI overgrowth. Operando FT-IR and XPS further indicate reduced cathode–anode cross-talk and mitigated phosphorus-containing species formation on the graphite anode. As a result, the optimized fluorinated cathode exhibits improved rate capability and enhanced long-term full-cell stability. These findings demonstrate the surface-enriched fluorination simultaneously regulates structural evolution and interfacial chemistry, providing a practical strategy for improving the durability of high-energy Ni-rich cathodes.

0402電気応用
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