ナトリウムイオン電池材料β-NaMnO2の積層欠陥を抑制することで電池性能向上に成功~波状MnO2層の滑り現象メカニズムを解明、正極材料の長寿命化を実現~

2025-07-17 東京理科大学,東京科学大学

東京理科大学と東京科学大学の共同研究チームは、ナトリウムイオン電池の正極材料であるβ‑NaMnO₂に銅(Cu)を置換導入し、結晶中の積層欠陥を抑制することで、長寿命化と高性能化に成功しました。Cu置換により、波状MnO₂層内の滑り現象が促進され、充放電サイクル(150回超)において容量低下を抑制。欠陥なし材料は体積変化にも耐性を持ち、サイクル安定性を実証しました。これにより、希少金属を用いずに高効率な次世代蓄電池設計の重要指針が確立。成果は『Advanced Materials』誌掲載。

ナトリウムイオン電池材料β-NaMnO2の積層欠陥を抑制することで電池性能向上に成功~波状MnO2層の滑り現象メカニズムを解明、正極材料の長寿命化を実現~
図 β-NaMnO2の走査透過電子顕微鏡像と結晶構造のモデル図
(左)積層欠陥有りのβ-NaMnO2、(右)積層欠陥無しのβ-NaMnO2(高分解能電子顕微鏡像は㈱住化分析センターにて取得)

<関連情報>

積層欠陥のないβ-NaMnO2の合成と電気化学特性 Synthesis and Electrochemistry of Stacking Fault-Free β-NaMnO2

Shinichi Kumakura, Kei Kubota, Syuhei Sato, Yusuke Miura, Huu Duc Luong, Eun Jeong Kim, Yoshinobu Miyazaki, Tomohiro Saito, Yoshitaka Tateyama, Shinichi Komaba
Advanced Materials  Published: 14 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202507011

Abstract

Understanding the solid-state chemistry of corrugated layered sodium manganese oxide (β-NaMnO2) has been hindered by stacking faults (SFs), particularly in the presence of α-type planar domains among β-type corrugated MnO2 layers. Thus, their prospects as cathode materials for Na-ion batteries have never been assessed comprehensively. The partial substitution of Cu for the Mn in β-NaMnO2 yields SF-free β-phase, as confirmed via atomic scale scanning transmission electron microscopy. The SF-free material enables the identification of unique phase transitions during electrochemical Na extraction/insertion, showing drastic gliding of the corrugated layers. The proposed gliding mechanism is validated both experimentally, using ex situ synchrotron X-ray diffraction, and theoretically, through density functional theory calculations. Minor structural changes observed in SF-containing materials indicated that gliding is extremely sensitive to SFs. Given that the SF-free β-material exhibits excellent cycle stability in a Na cell, the corrugated layer is concluded to have high resilience and reversibility against repeated large anisotropic structural changes involving slab gliding, providing a new insight into the design of long-life rechargeable batteries.

0402電気応用
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました