[論文レビュー] Cathode Materials for Lithium Ion Batteries (LIBs): A Review on Materials related aspects towards High Energy Density LIBs

Ambesh Dixit|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2020

Advancements in Battery Materials参考文献 77被引用数 9

ひとこと要約

このレビューは、1980年代から現在にかけてリチウムイオン二次電池の正極材料の進化を体系的に検討し、高エネルギー密度を達成するための構造的・電子的・イオン伝導性の課題に焦点を当てる。正極材料を3つの世代に分類し、リチウムコバルト酸化物および亜鉛酸化物（LiTMx）、改質された亜鉛酸化物／テトラル酸化物、およびリチウム含有量の高い複合酸化物（例：Li2TMSiO4）を含む、次世代電池に向けた材料設計戦略と残存課題を強調する。

ABSTRACT

This article reviews the development of cathode materials for secondary lithium ion batteries since its inception with the introduction of lithium cobalt oxide in early 1980s. The time has passed and numerous cathode materials are designed and developed to realize not only the enhanced capacity but also the power density simultaneously. However, there are numerous challenges such as the cyclic stability of cathode materials, their structural and thermal stability, higher operating voltage together with high ionic and electronic conductivity for efficient ion and charge transport during charging and discharging. This article will cover the development of materials in chronological order classifying as the lithium ion cathode materials in different generations. The ternary oxides such as LiTMOx (TM=Transition Metal) are considered as the first generation materials, whereas modified ternary and quaternary oxide systems are considered as the second generation materials. The current i.e. third generation includes complex oxide systems with higher lithium content such as Li2TMSiO4 aiming for higher energy density. Further, developments are heading towards lithium metal based batteries with a possibility for very high energy densities.

研究の動機と目的

• 1980年代以降、リチウムイオン電池の正極材料の歴史的発展をたどること。
• サイクル安定性、構造的整合性、熱的安全性といった材料固有の課題を分析すること。
• 高出力および高エネルギー密度を実現するためのイオン伝導性および電子伝導性の役割を評価すること。
• 第一世代から第三世代の正極システムに至る材料革新の主要因を特定すること。
• 将来の高エネルギー密度電池に向けた、リチウム含有量の高い酸化物および金属リチウムベースのシステムの可能性と課題を評価すること。

提案手法

• 組成および性能に基づき、正極材料を3つの世代に歴史的分類すること。
• LiCoO2、LiNixMnyCo1−x−yO2（NMC）、およびLi2TMSiO4ベースのシステムを含む材料化学の体系的レビュー。
• 材料性能に影響を与える構造的・電気化学的・熱的安定性要因の分析。
• 層状・尖晶石・オーリビン型正極構造におけるイオンおよび電子伝導メカニズムの評価。
• ドーピング、被覆、固溶体形成などの材料改質戦略が安定性を向上させるメカニズムの検討。
• 理論的および実用的エネルギー密度の比較、特に新規のリチウムリッチおよび金属リチウムベースのシステムを含む材料群の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー密度リチウムイオン電池の開発を妨げる主な材料的制限要因は何か？
• RQ2 第一世代（例：LiCoO2）から第三世代システム（例：Li2TMSiO4）に至るまで、正極材料はどのように進化してきたか？
• RQ3 イオン伝導性および電子伝導性は、正極材料の出力およびエネルギー密度にどのように寄与しているか？
• RQ4 構造的および熱的安定性は、高電圧正極材料のサイクル寿命および安全性にどのように影響するか？
• RQ5 次世代電池に向けたリチウムリッチおよび金属リチウムベースの正極材料の将来可能性と課題は何か？

主な発見

• 第一世代正極材料（例：LiCoO2）は商業化を可能にしたが、エネルギー密度および熱的安定性に限界を示す。
• 第二世代材料（例：NMC、NMO）は、遷移金属置換および固溶体形成により、容量および安定性が向上している。
• 第三世代材料（例：Li2TMSiO4）は、リチウム含有量の増加とポリアンイオン骨格の導入により、より高い理論的エネルギー密度を達成している。
• 進展は見られるが、リチウム含有量の高い酸化物では、構造的劣化、電圧の低下、界面不安定性といった課題が依然として残存している。
• 特に複雑な酸化物系においては、イオン伝導性および電子伝導性の向上が、高レート性能を実現する上で不可欠である。
• 金属リチウムベースの電池は、超高エネルギー密度への道筋を示唆しているが、界面安定性およびリチウムドリルの抑制に向けた画期的技術の開発が求められる。