1Wh級の積層型リチウム空気電池を開発〜「高出力」「長寿命」「大型化」を同時に実現するカーボン電極を開発〜

2025-09-19 物質・材料研究機構,東洋炭素株式会社

NIMS(物質・材料研究機構)は、世界初となる1Wh級の積層型リチウム空気電池を開発した。従来は小型セルに限られていたが、今回の研究では酸素極の多孔質設計と積層化技術により、世界最大級のエネルギー容量を達成。安定した充放電を繰り返せることも確認された。リチウム空気電池は理論エネルギー密度が極めて高く、電気自動車や再生可能エネルギー貯蔵の次世代蓄電池として期待される。今回の成果は大型化・実用化に向けた重要なマイルストーンであり、今後は耐久性や安全性の更なる改善が課題とされる。

1Wh級の積層型リチウム空気電池を開発〜「高出力」「長寿命」「大型化」を同時に実現するカーボン電極を開発〜
図: (A) メソスケール細孔が制御されたカーボン材料合成スキームの概念図。(B) 本研究で作製した1Wh級の積層型リチウム空気電池の外観。

<関連情報>

1ワット時級リチウム-酸素パウチ型二次電池用階層的多孔質黒鉛化炭素膜 Hierarchically porous graphitized carbon membrane for 1-Watt-hour-class rechargeable lithium-oxygen pouch cells

Arghya Dutta ∙ Takashi Kameda ∙ Emiko Mizuki ∙ … ∙ Yuuka Nakajima ∙ Takahiro Morishita ∙ Shoichi Matsuda
Cell Reports Physical Science  Published:September 17, 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102841

Highlights

  • Scalable fabrication of self-standing porous carbon membranes
  • Interconnected macropores for better O2 transport
  • Stable LOB cycling over 150 cycles at 1.5 mA cm−2 with lean electrolyte
  • Multi-stacked LOB pouch cell demonstrates >1 Wh energy and long stability

Summary

Despite lithium-oxygen batteries (LOBs) achieving energy densities over 500 Watt hours (Wh) kg−1 at the cell level, challenges remain in extending cycle life, high-rate operation, and scalability. A critical limitation lies in designing carbon-based positive electrodes with optimal porosity and stability. Previous efforts with highly porous carbon materials face issues like unoptimized pore structures, excessive microporosity, low stability, and non-scalable fabrication methods, particularly under lean-electrolyte conditions. Here, we report a scalable, cost-effective approach to fabricate self-standing carbon membranes via (1) hard-templated synthesis of mesoporous carbon with reduced microporosity, (2) slurry casting using the doctor-blade method, and (3) non-solvent-induced phase separation (NIPS) to create interconnected macropores for improved oxygen transport. LOB cells employing these hierarchically porous carbon membranes and lean electrolyte demonstrated stable cycling for over 150 cycles at 1.5 mA cm−2. Additionally, a 1-Wh-class multi-stacked LOB achieved long cycling stability. This report offers a breakthrough in scalable, high-energy-density LOB electrode development.

0402電気応用
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