【名城大学】リチウム－コバルト酸化物が水を分解して水素を生成することを世界で初めて発見ー使用済みリチウムイオン電池のリサイクルが水素社会の実現を後押しする可能性ー

名城大学理工学部の土屋文教授（エネルギー材料科学）の研究チームが若狭湾エネルギー研究センターと協力して、リチウムイオン電池の正極材料であるリチウム－コバルト酸化物を使って水から水素を低エネルギーで作り出す方法を開発しました。
この研究成果は2024年1月2日付で環境・エネルギー材料分野で優れた国際論文雑誌の一つ「International Journal of Hydrogen Energy」に掲載されました。
（50巻、B項、599～604頁、https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.10.039
）





名城大学理工学部の土屋文教授（エネルギー材料科学）の研究チームが若狭湾エネルギー研究センターと協力して、リチウムイオン電池の正極材料であるリチウム－コバルト酸化物を使って水から水素を低エネルギーで作り出す方法を開発しました。
この研究成果は2024年1月2日付で環境・エネルギー材料分野で優れた国際論文雑誌の一つ「International Journal of Hydrogen Energy」に掲載されました（50巻、B項、599～604頁、https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.10.039
）。


【概要】
研究チームは、若狭湾エネルギー研究センターが保有するタンデム加速器を利用した大気雰囲気型反跳粒子検出法（注1）により、水分解によって生成された水素がリチウム－コバルト酸化物中に吸収されることを、その場で観測しました。また、第一原理計算（注2）を用いて、水素導入による欠陥形成エネルギーを求めることで、吸収された水素はリチウム空孔（注3）位置付近に最も安定に占有することがわかりました。さらに、室温で水浸漬されたリチウム－コバルト酸化物を250度以上に加熱すると水素が発生することを発見しました。
以上の実験結果を基にすると、添付の図に示したように、
①リチウム－コバルト酸化物が水中に浸漬されると、バルク内のリチウム原子が表面へ偏析してリチウム空孔を形成する。その際に酸素空孔も電気的中性を保つために形成される。
②水が表面に偏析されたリチウム原子、あるいは酸素空孔と反応して水素と水酸基に分解する。
③生成された水素はバルク内を拡散してリチウム空孔、水酸基は酸素空孔を占有する。
④加熱によってリチウム空孔から脱離した水素は、他の水素と結合して水素分子、あるいは水酸基と結合して水を形成して放出される。その際に、酸素分子が水酸基同士の結合により放出される。
というような水分解および水素の吸収･貯蔵･放出におけるメカニズムが考えられます。
リチウムイオン電池を構成するリチウム－コバルト酸化物および身近にある水を原料に使い、環境への負荷が少ない温度（250度）での水素の生成の発見は、世界で初めてとなります。
この結果は、使用済みリチウムイオン電池を再利用して水素を作る技術開発の第一歩となります。リチウム－コバルト酸化物は水中において安定であるため、水素吸収･貯蔵･放出特性は劣らず、何回でも利用することが可能です。即ち、使用済みリチウムイオン電池は、水を分解して水素の吸蔵･貯蔵･放出を繰り返す再生利用可能なエネルギー供給源となることが期待されます。