リチウム鉄マンガンリン酸塩系電池材料におけるガス発生メカニズムの解明

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• エネルギー貯蔵

背景:

• リチウム鉄マンガンリン酸塩（LiFe_xMn_1-xPO₄）は、電池の安全性、電力密度、コストを向上させる。
• これらの電池におけるガス発生は、サイクル寿命を妨げ、安全上のリスクをもたらす。
• ガス発生メカニズムの理解は、材料強化のために不可欠である。

研究 の 目的:

• LiFe_xMn_1-xPO₄-グラファイト全電池におけるガス発生メカニズムの調査。
• 正極および負極からのガス生成量の定量。
• ガス発生を抑制し、電池性能を向上させる戦略の開発。

主な方法:

• LiFe_xMn_1-xPO₄-グラファイト全電池におけるガス発生の同時定量およびプローブ。
• ガス組成の分析により、CO₂とH₂が主要成分であることを特定。
• 高密度炭素層コーティングを施したLiFe_xMn_1-xPO₄の開発と試験。

主要な成果:

• 発生ガスの90%以上がCO₂とH₂であった。
• CO₂は、電気化学的および化学的副反応を介してLiFe_xMn_1-xPO₄から生成した。
• H₂は、Mn/Feイオンの溶解に関連するグラファイトの固体電解質界面反応に由来した。
• 炭素コーティングされたLiFe_xMn_1-xPO₄は、金属イオンの溶解を10分の1に低減し、副反応を最小限に抑えた。
• 4.1Ahのパウチセルは、540サイクル以上で90%以上の容量維持率を達成した。

結論:

• 主要なガス発生経路（LiFe_xMn_1-xPO₄からのCO₂、グラファイトからのH₂）とその起源を特定した。
• 高密度の炭素コーティングが金属イオンの溶解と副反応を効果的に抑制することを示した。
• 実用的な電池セル形式で、サイクル安定性と性能が大幅に向上した。