結晶構造の堅牢性と柔軟性が鍵! 〜多価金属電池正極材料に新たな設計指針〜

2026-05-01 東北大学

東北大学多元物質科学研究所らの研究チームは、多価金属電池用の新しい正極材料として、六角形トンネル構造を持つナノ酸化モリブデンを開発した。従来困難だったカルシウム(Ca²⁺)やマグネシウム(Mg²⁺)イオンの室温での可逆的な挿入・脱離を実現し、充放電時の体積変化も2%未満に抑制。これは結晶骨格を保ったままMo–O結合長が柔軟に変化することで応力を吸収するためである。構造の「堅牢性」と「柔軟性」を両立させた新たな反応機構を示し、レアメタルフリーで高性能な次世代蓄電池材料設計の重要指針を提供する成果である。

結晶構造の堅牢性と柔軟性が鍵! 〜多価金属電池正極材料に新たな設計指針〜
図1. トンネル構造型酸化モリブデン正極で進行する多価金属電池反応の模式図

<関連情報>

トンネル構造のMoO₃正極を用いた超低歪みカルシウム・マグネシウムイオン貯蔵 Ultra-Low-Strain Calcium and Magnesium Ion Storage Enabled by Tunnel-Structured MoO3 Positive Electrode

Reona Iimura, M. D. Hashan C. Peiris, Takashi Yabu, Toshihiko Mandai, Ruijie Zhu, Akira Nasu, Saneyuki Ohno, Masaki Matsui, Itaru Honma, Manuel Smeu, Hiroaki Kobayashi
Advanced Energy Materials  Published: 28 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.71006

ABSTRACT

Rechargeable divalent batteries employing Ca or Mg metal negative electrodes have attracted considerable interest due to their low cost and potentially high energy density. However, the development of high-energy Ca and Mg batteries remains limited by the lack of oxide positive electrodes capable of reversibly accommodating divalent ions at room temperature. Here, we demonstrate a new positive electrode material, a nano-sized hexagonal tunnel-structured MoO3 (nano-h-MoO3), as a structurally robust host for both Ca2+ and Mg2+ storage, exhibiting markedly improved reversibility and capacities. Comprehensive structural analyses, supported by computational modeling, reveal a unique charge–discharge mechanism in which divalent-ion (de)insertion occurs through reversible modulation of host metal–oxygen bond lengths while retaining an intact host framework, resulting in minimal lattice expansion (<2%). This structurally resilient tunnel-oxide design provides a promising pathway for developing high-energy, practical divalent metal battery systems.

0703金属材料
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