東京理科大学は、ナトリウムイオン電池の正極材料として期待される P’2型Na₀.₆₇MnO₂ において、マンガンイオンの一部をスカンジウムイオンで置換することで、耐水性とサイクル寿命を向上させることに成功した（掲載誌：Advanced Materials）。
本研究は、同大学大学院理学研究科の守谷洸大氏（2024年度修士課程修了）、研究推進機構の熊倉真一プロジェクト研究員、理学部第一部応用化学科の駒場慎一教授らによる共同研究によるものである。――ナトリウムイオン電池は、リチウム資源の偏在性や価格高騰を背景に、資源循環型社会の蓄電技術として注目されている。ナトリウムは海水由来で供給安定性が高く、レアメタルを使用しない材料設計が可能である。しかし、従来のナトリウム含有層状酸化物（NaxMnO₂）は、充放電に伴う構造劣化によりサイクル寿命が短く、実用化の障壁となっていた。
本研究では先ず、スカンジウム（Sc³⁺）をマンガン（Mn³⁺）の一部に置換したP’2型Na₀.₆₇[Mn₀.₉₂Sc₀.₀₈]O₂（o-NMSO8）を合成した。そして、材料設計・構造安定性・電気化学性能・界面反応の各側面から多角的な評価を行った。その結果、平均放電電圧2.1 V以上、初期放電容量170 mAh/g以上を達成し、300サイクル後でも容量維持率約60%を示した。これは、スカンジウムが構造的支柱として機能し、ヤーン・テラー歪み（＊1）との協奏的作用により、充放電時の構造安定性を高めた結果である。さらに、他の3価金属（Al³⁺、Y³⁺）による置換も検討されたが、スカンジウムほどの安定化効果は得られず、イオン半径や電子構造の違いが性能に大きく影響することが示唆された。駒場教授は「電池材料一般に適用可能な設計指針の確立を目指した」と述べており、本成果はナトリウムイオン電池の長寿命化と実用化を加速するものと期待される。なお、本研究は、文部科学省のDxMT事業、JSTのCREST・ASPIRE・GteX、日本学術振興会の科研費などの支援を受けて実施された。
【＊1 ヤーン・テラー歪み】電子軌道の縮退を解消するために結晶構造が歪む現象。Mn³⁺では八面体配位において顕著に現れる。例えば、Mn³⁺などの特定の電子配置を持つイオンは結晶構造に歪みを生じさせるが、P’2型構造ではこの歪みが結晶全体に協調的に伝播する。本研究では、スカンジウム置換によりこの歪みが適度に制御され、構造劣化とナトリウム損失が抑制され、粒子の微細化、表面保護層の形成、電解液との副反応の抑制など、複合的な効果を示すことが確認された。