NIMSなど、500Wh/kg級の「リチウム空気電池」を開発

物質・材料研究機構(NIMS)、科学技術振興機構(JST)、ソフトバンクの3者は12月15日、現行のリチウムイオン電池(LIB)の重量エネルギー密度を上回る500Wh/kg級の「リチウム空気電池」(LAB)を開発し、室温での充放電反応を実現したこと、ならびに一般的にはトレードオフの関係にあるエネルギー密度ならびに充放電サイクル数の観点で、世界最高レベルであることを確認したと発表された。

同成果は、NIMSの松田翔一主任研究員、同・小野愛生NIMSポスドク研究員、同・山口祥司特別専門職、同・魚崎浩平フェロー(NIMS-SoftBank先端技術開発センターセンター長兼任)らの研究チームによるもの。今回の研究は、高容量蓄電池の研究開発の加速を目的に発足したJSTの「ALCA次世代蓄電池(ALCA-SPRING)」プロジェクトと、2018年にNIMSがソフトバンクと共同で設立した「NIMS-SoftBank先端技術開発センター」の研究開発の一環として行われ、詳細は材料科学を扱う学術誌「Material Horizon」にオンライン掲載された。

LABは、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極にはリチウム金属を用いることによって、理論エネルギー密度が現行のLIBの数倍に達することが示されており、次世代二次電池として期待されている

しかし、これまで開発されたLABの特性評価は、セパレータや電解液といった電池反応に直接関与しない材料が電池重量の多くの割合を占めていたことから、理論的に示されている高エネルギー密度を実際に示したLABが作成・評価された例は、限られてしまっていたという。

LABは、正極(酸素極)、セパレータ+電解液、負極(金属リチウム)を積層した構造で、放電反応では、負極で金属リチウムが電解液に溶出し、正極で酸素と反応して、過酸化リチウムが析出する。この過酸化リチウムの析出量が蓄電容量となるため、正極のカーボン材料は、高空隙率・高比表面積を有する材料が望ましいと考えられている。また充電反応では、放電反応とは逆で、正極の過酸化リチウムが分解し酸素を放出、負極では金属リチウムが析出する。この際に、正極・負極双方において、高い可逆性で反応が進行するような電解液材料が必要とされてきた。

研究チームはこれまで、ALCA-SPRINGプロジェクトでの研究において、LABの持つ高いポテンシャルを引き出すことができる「多孔性カーボン電極」や、自身の酸化還元(レドックス)反応によってほかの反応を媒介する化学種「レドックスメディエーター」を含有する電解液などといった独自材料を開発してきた。

(a)ALCA-SPRINGでの研究により開発されたLAB用独自材料。(b)NIMS-SoftBank先端技術開発センターで開発されたセル作製技術。(c)500Wh/kg級LABの室温における充放電反応が、今回の研究において実験的に確認された (出所:プレスリリースPDF)

また、NIMS-SoftBank先端技術開発センターでは、「電解液注液技術」や「電極積層技術」に代表される高エネルギー密度LABセルの作製技術などを開発。今回は、それらを組み合わせることで、現行のLIBのエネルギー密度を上回る500Wh/kg級リチウム空気電池の開発に成功、室温での充放電反応を実現したという。

また、世界中で報告されているLABの性能を調査し、定量的かつ客観的な比較を行うべく、各LABの論文に記載されている電極や電解液の種類や重量といった電池に関する情報の細部まで調査し、エネルギー密度を算出したところ、今回開発されたLABは、一般的にトレードオフの関係にあるエネルギー密度と充放電サイクル数のどちらにおいても世界最高レベルであることが示されたという。

世界中で報告されているLAB性能の調査結果 (出所:ソフトバンクWebサイト)

なお、今回の成果について研究チームでは、LABの実用化研究開発における大きな一歩となるものだとしている。また今後は、今回の研究で確立された500Wh/kg級LABに、現在開発中の改良材料群を搭載することで、サイクル寿命の増加を図り、NIMS-SoftBank先端技術開発センターでのLABの早期実用化につなげるとしている。