京都大學化學研究所的後藤真人助教、島川祐一教授，與美國斯坦福大學、奧克裏奇國家實驗室、SLAC國家加速器實驗室、美國國家標準與技術研究院（NIST）組成聯合研究團隊，在層狀氧化物Li₄FeSbO₆中發現，通過Fe3+離子與被稱為「異常高價態」的Fe5+離子之間的氧化還原反應，能夠實現鋰離子的可逆脫嵌與嵌入。這一電化學反應說明，利用地球上蘊藏量豐富、價格低廉且安全性高的鐵元素，有望研發出高性能的鋰離子電池。相關研究成果已發表在《Nature Materials》上。
圖1 研究概要圖（供圖：京都大學）
隨著電動汽車和智慧型手機等的普及，鋰離子電池的需求逐年上升，人們對兼顧低成本與高性能的電池材料的開發需求日益迫切。磷酸鐵鋰（LiFePO₄）作為電池正極氧化物材料，不含鈷、鎳等稀有金屬，同時含有地殼中最豐富的金屬鐵，因此備受關注，然而在Fe2+／Fe3+的氧化還原反應中，由於其工作電壓較低，難以提高電池的能量密度。
為解決這一問題，有一種方法是利用Fe4+或Fe5+等高價態鐵離子的氧化還原反應來提升工作電壓。然而，這些高價態通常極不穩定，至今尚未能實現可逆的氧化還原反應。
研究團隊首次於陽離子排列被精確調控的層狀氧化物Li₄FeSbO₆中，通過實驗證實Fe3+／Fe5+氧化還原反應能夠使鋰離子實現可逆脫嵌與嵌入。這種材料的工作電壓為4.2伏特，遠高於Fe2+／Fe3+氧化還原反應對應的工作電壓（2.8～3.5伏特），與以往報導的鐵系電池正極材料相比，Li₄FeSbO₆可產生更高的能量密度。此外，研究還發現，在該物質的層狀晶體結構中，Li與Fe通過有序交替排列使Fe離子之間不相鄰，從而讓Fe3+／Fe5+的氧化還原反應能夠穩定進行。
此次，在Li₄FeSbO₆中實現的基於Fe3+／Fe5+氧化還原的可逆鋰離子脫嵌機制，為利用地球上蘊藏量豐富的鐵元素開發高能量密度鋰離子電池開闢了新路徑。接下來，研究團隊將持續推進實際電池器件的製作並開展性能驗證工作。此外，該成果還顯示，鋰（Li）與鐵（Fe）離子有序排列的晶體結構，在開發高性能正極材料方面起著關鍵作用。未來，研究團隊計畫圍繞具備類似晶體結構的化合物，開展探索更高性能特性正極材料的研究。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Materials
論文：A formal Fe(III)/(V) redox couple in an intercalation electrode
DOI：10.1038/s41563-025-02356-x
