実用的なリチウム空気電池のサイクル寿命を決定する主要因を特定

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電解液量と面積容量とのバランスが鍵 リチウム空気電池の早期実用化に期待

2020-12-02 物質・材料研究機構,科学技術振興機構,ソフトバンク株式会社

NIMSは、ソフトバンクと共同で、エネルギー密度の高いリチウム空気電池のサイクル寿命が、電解液量と面積容量の比に支配されていることを明らかにしました。反応に使われる酸素に加えて、副反応に伴って生成される物質の定量的な測定法を開発し、電池反応全体での反応物、生成物の収支を精密に評価できるようなったことで、サイクル寿命の主要因の決定に成功しました。今回の成果は、リチウム空気電池の実用化研究開発において重要な指針を与えるものです。

リチウム空気電池は、理論エネルギー密度が現状のリチウムイオン電池の数倍に達する「究極の二次電池」であり、軽くて容量が大きいことから、ドローンや電気自動車、家庭用蓄電システムまで幅広い分野への応用が期待されています。2018年に設立したNIMS-SoftBank先端技術開発センターでは、その特性を生かして携帯電話基地局やIoT、HAPS(High Altitude Platform Station)などに向けて実用化を目指した研究を行ってきました。その中で、特にサイクル寿命を延ばすことが重要な課題ですが、従来は電極など個別の材料の評価が中心で、実際に高エネルギー密度なリチウム空気電池を作製してサイクル寿命を評価した例は限られていました。さらに、正極活物質として利用する酸素や副反応に伴って生成される気体など、反応に関わる物質を定量的に測定する方法が限られていたため、反応全体での反応物の収支が分からず、サイクル寿命に影響を与える支配因子が明らかになっていません。これらがリチウム空気電池の実用化研究開発を進める上での大きな壁となっていました。

今回、研究チームは、反応に使用する酸素や、充放電に伴って発生する気体および揮発性物質を定量的に評価する手法を新規に開発し、リチウム空気電池内部の複雑な反応を精密に評価する手法を確立しました。さらに、本手法をNIMS-SoftBank先端技術開発センターで開発した実用的なリチウム空気電池に対して適用することで、電池のサイクル寿命が電解液量と面積容量の比で定義されるパラメータにより支配されることを初めて明らかにしました。具体的には、電解液量を一定のまま面積容量を減らすと、サイクル寿命が延びることが分かりました。一方で、面積容量が減ると電池のエネルギー密度は下がってしまうため、実用的なリチウム空気電池の開発においては、「電解液量と面積容量の比」のパラメータを意識した電池設計、材料評価が重要であることを示しています。

今後は、本研究で得られた知見をふまえ、リチウム空気電池内部の副反応抑制手法を確立することで、NIMS-SoftBank先端技術開発センターでのリチウム空気電池の早期実用化につなげます。

本研究成果は、日本時間2020年12月2日以降で、RSC Advances誌にオンライン掲載される予定です。

本研究は、主に、文部科学省の統合型材料開発プロジェクト(GREEN)、JST 戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発・特別重点技術領域「次世代蓄電池」(ALCA-SPRING)、NIMS-SoftBank先端技術開発センターの一環として、NIMSエネルギー・環境材料研究拠点の宇恵 誠 特別研究員(2020年9月まで)、朝比奈 均 NIMSエンジニア、松田 翔一 主任研究員、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)らの研究チームによって行われました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Material Balance in the O2 Electrode of Li-O2 Cells with a Porous Carbon Electrode and TEGDME-Based Electrolytes”
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
松田 翔一(マツダ ショウイチ)
物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点 二次電池材料グループ 主任研究員

<JST事業に関すること>
大矢 克(オオヤ マサル)
科学技術振興機構 未来創造研究開発推進部

<報道担当>
物質・材料研究機構 経営企画部門 広報室
科学技術振興機構 広報課

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