リチウム空気電池の長寿命化実現へ　東北大などがカーボン新素材を発見

東北大学と岡山大学の両者は4月10日、次世代バッテリーの1種「リチウム空気電池」を長寿命化させるためのカーボン新素材の正極を見出したと共同で発表した。

同成果は、東北大材料科学高等研究所(AIMR)のユ・ウエイ特任助教、同・西原洋知教授(東北大多元物質科学研究所兼任)、岡山大異分野融合先端研究コアの仁科勇太研究教授らを中心に、信州大学、大阪大学の研究者も参加した国際共同研究チームによるもの。詳細は、物理・化学・医学・生命科学・工学などの基礎から応用までを扱う学際的なオープンアクセスジャーナル「Advanced Science」に掲載された。

今回の研究では、負極がリチウム金属、正極が酸素(O₂)で充放電が可能なバッテリーがリチウム空気電池とされている。その充放電の仕組みは、正極ではO₂が電解液中のLi⁺と結びつき、過酸化リチウム(Li₂O₂)として析出する反応(放電時)と、Li₂O₂が分解してO₂とLi₊に戻る反応(充電時)が起こるもの。Li₂O₂の析出場所が多いほど高容量になるため、正極には多孔性のカーボン材料が利用されている点が特徴だ。

そんなリチウム空気電池は、リチウムイオン電池の数倍以上ものエネルギー密度を達成できる可能性が期待されているが、劣化が激しく充放電を繰り返し行えないという大きな課題を抱えていた。この課題の要因には、カーボン正極材料・リチウム負極・電解液それぞれの劣化があるが、今回の研究では、カーボン正極材料の劣化を克服することを目的として進められたという。

正極のカーボン材料においては、充放電の際にLi₂O₂が析出と分解を繰り返すのだが、このLi₂O₂が酸化剤として正極を劣化させてしまうほか、正極ではほかにもさまざまな副反応が発生し、バッテリーを徐々に劣化させてしまう。これらの劣化は、正極の電位が高くなるほど激しくなる。つまり、カーボン正極を劣化させないためには、以下の方策が重要となるとする。