超高容量かつ低コストの鉄系全固体フッ化物イオン二次電池正極材料の開発

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2025-06-20 東京科学大学

東京科学大学などの研究チームは、鉄・カルシウム・酸素を主成分とする新規正極材料Ca₀.₈Sr₀.₂FeO₂Fₓを開発。全固体フッ化物イオン二次電池に適用し、従来のリチウムイオン電池の2倍超にあたる580 mAh/gの可逆容量を実現した。フッ化物イオンの挿入・脱離時に構造内で分子状酸素を形成する機構により、高容量と高サイクル安定性を両立。安価で豊富な元素を用いる点でも優れ、次世代電気自動車用電池として期待される。

超高容量かつ低コストの鉄系全固体フッ化物イオン二次電池正極材料の開発
図1.本研究で開発したSrFeO2Fx、Ca0.8Sr0.2FeO2Fx正極と既存正極材料の重量あたりの容量と体積あたりの容量の比較。SrFeO2Fx、Ca0.8Sr0.2FeO2Fx正極は結晶構造から分子状酸素形成を伴って予想されるよりも多くのフッ化物イオン(x > 1)を可逆的に挿入することで高い容量を示す。

<関連情報>

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Advanced Energy Materials  Published: 17 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.202406131

Abstract

All-solid-state fluoride-ion batteries (FIBs) are highly prospective candidates for next-generation batteries due to their superior energy density and safety to lithium-ion batteries (LIBs). Nevertheless, the full potential of FIBs remains unrealized, as practical cathode materials remain elusive. Here, a perovskite oxyfluoride SrFeO2Fx is reported to exhibit topotactic F (de)intercalation and provide a large capacity of 350 mAh g−1 (1843 mAh cm−3) with negligibly small volume expansion (≈0.5%). The large capacity is attributed to excess F (de)intercalation of ≈2.3 mol in SrFeO2Fx with Fe2+/Fe3+ redox and oxygen redox. Furthermore, Sr-substituted CaFeO2Fx (Ca0.8Sr0.2FeO2Fx) has the highest capacity of 580 mAh g−1 (2595 mAh cm−3) among cathode materials using the topotactic ion (de)intercalation, including LIBs. For the first time, the possibility is presented that the utilization of ultimate anion redox associated with the ion (de)intercalation to achieve specific capacities surpassing current active materials by over twofold.

0402電気応用
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