府大、高容量・長寿命を兼ね備えたリチウム-硫黄二次電池用正極を開発

大阪府立大学は、同大学大学院工学研究科の辰巳砂昌弘教授、林晃敏教授、計賢博士研究員らの研究グループが、次世代型蓄電デバイスであるリチウム-硫黄二次電池の実現に向けて、硫化リチウムベースの固溶体と硫化物固体電解質を組み合わせた正極を開発し、正極の容量および寿命を飛躍的に改善させることに成功したことを発表した。この成果は5月24日、電子ジャーナル「Advanced Sustainable Systems」に掲載された。

リチウムイオン電池は、ポータブル電子機器、電気自動車の電源、家庭用分散型電源、非常用電源などに幅広く利用されているが、その蓄電容量は理論限界に達しており、従来のリチウムイオン電池を凌駕する次世代型蓄電池の開発が急務とされている。

そこで注目されているのが、電極が軽量のリチウム(Li)と硫黄(S)から構成され、現在のリチウムイオン電池と比べて5倍以上という高い理論エネルギー密度を有する「リチウム-硫黄二次電池」だが、克服すべきさまざまな課題があり、実用化には至っていない。

その克服すべき課題のひとつに、正極のSにLiが挿入する反応(放電)または硫化リチウム(Li2S)からLiが脱離する反応(充電)時に、反応中間体の多硫化リチウム(Li2Sx)が正極から有機電解液に溶出することによって電池容量が劣化するという点がある。さらに、Li+イオン貯蔵材料の硫化リチウム(Li2S)自身が絶縁体であるため可逆容量が小さく、従来のリチウムイオン電池を凌駕するリチウム-硫黄二次電池の構築にはLi2S極材料の高容量化が必要とされている。

研究グループは、Li2Sxの溶出を防ぐことに加え、実質的な容量を増やすために、電解質として硫化物固体電解質とLi2Sベースの固溶体を組み合わせた正極を開発した。この正極は、これまで報告されているLi2S正極の中で最も高い容量と優れた寿命を示したという。

その正極はLi2Sの理論容量とほぼ同等の1100mAhg^-1以上の可逆容量を示し、充放電繰り返し試験では2000サイクルの間、容量劣化が観測されず、長寿命化を実現したということだ。

この研究で得られた成果は、これまで報告されているLi2S正極の中で最も高い容量と優れたサイクル寿命を達成しており、リチウム-硫黄二次電池実現の可能性を世界に先駆けて示すものだとしている。

今後は、実質的に利用できる電池のエネルギー密度を増大させるために、正極層の厚膜化、軽量化を目的とした固体電解質層の薄膜の作製、高エネルギー密度の負極材料を開発し、それらを組み合わせることによって、従来のリチウムイオン電池よりも２倍のエネルギー密度を有する全固体リチウム-硫黄二次電池の構築を目指していくとのことだ。

リチウム-硫黄二次電池の実用化が実現すれば、より高容量かつ長寿命なポータブル電子機器や家庭用分散型電源、非常用電源の開発に大きく貢献することになると説明している。