高エネルギー密度なリチウム空気電池の劣化反応機構を解明 ~軽量保護膜の利用によりサイクル寿命の大幅向上に成功~

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2023-01-31 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,株式会社オハラ

NIMSは、ソフトバンク株式会社、株式会社オハラと共同で、各種先端分析技術を駆使することで、高エネルギー密度なリチウム空気電池の劣化反応機構の詳細を解析し、負極の金属リチウム電極の劣化がサイクル寿命の主要因であることを明らかにしました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (以下「NIMS」) は、ソフトバンク株式会社 (以下「ソフトバンク」) 、株式会社オハラ (以下「オハラ」) と共同で、各種先端分析技術を駆使することで、高エネルギー密度なリチウム空気電池の劣化反応機構の詳細を解析し、負極の金属リチウム電極の劣化がサイクル寿命の主要因であることを明らかにしました。金属リチウム負極の劣化を抑制するために、軽量な保護膜を導入することで、高い重量エネルギー密度を維持しながらサイクル寿命を大幅に向上させることにも成功しました。本研究成果は、リチウム空気電池の実用化に向け、大きな一歩となるものです。
  2. リチウム空気電池は、理論重量エネルギー密度が現行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など幅広い分野への応用が期待されています。NIMSは国立研究開発法人科学技術振興機構 (以下「JST」) が高容量蓄電池の研究開発加速を目的に発足したプロジェクトである先端的低炭素化技術開発ALCA特別重点技術領域「次世代蓄電池」 (以下「ALCA-SPRING」) の支援の下、基礎研究を進めてきましたが、2018年にソフトバンクと共同で「NIMS-SoftBank先端技術開発センター」を設立し、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。NIMS-SoftBank先端技術開発センターは、2021年に現行のリチウムイオン電池の重量エネルギー密度を大きく上回る500Wh/kg級リチウム空気電池を開発しましたが、そのサイクル寿命は10回以下であり、実用化に向けてはサイクル寿命の向上が課題となっていました。
  3. 研究チームは、これまで確立してきた様々な先端分析手法を用い、負極の金属リチウム電極の劣化が過電圧の増大を引き起こしていることを突き止めました。これまで、酸素正極反応の高い過電圧が、サイクル寿命が低くなる原因として考えられてきましたが、このたびの研究結果は従来の定説を覆す重要な発見と言えます。さらに、研究チームは、金属リチウム負極の劣化を抑制するために、軽量性と柔軟性を兼ね備えた厚み6 μmの固体電解質膜を開発し、負極の保護膜としてリチウム空気電池に搭載しました。その結果、高い重量エネルギー密度を維持しながらサイクル寿命を大幅に向上することに成功しました。
  4. 今後は、現在開発中の新規材料群をリチウム空気電池に搭載することで、サイクル寿命のさらなる向上を実現し、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。
  5. 本研究は、主に、ALCA-SPRINGとNIMS-SoftBank先端技術開発センターの研究開発の一環として、松田 翔一主任研究員、小野 愛生NIMSポスドク研究員、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) らを中心とした研究チームによって行われました。
  6. 本研究成果は、日本時間2023年1月30日中に、Advanced Energy Materials 誌にオンライン掲載されます。

「プレスリリース中の図 : (a)リチウム空気電池の構成図。 (b) 充放電反応後の負極の断面SEM像 (保護膜なしの場合) 。100 μmの厚みだった金属リチウム負極が50 μm程度の厚みまで減少しており、金属リチウム負極が著しく劣化しています。(c)固体電解質を保護膜として導入した場合のリチウム空気電池の構成図。(d) 充放電反応後の負極の断面SEM像 (保護膜ありの場合) 。初期の100 μmの厚みをほぼ維持しており、劣化が大幅に抑制されています。スケールバー : 20 μm」の画像

プレスリリース中の図 : (a)リチウム空気電池の構成図。 (b) 充放電反応後の負極の断面SEM像 (保護膜なしの場合) 。100 μmの厚みだった金属リチウム負極が50 μm程度の厚みまで減少しており、金属リチウム負極が著しく劣化しています。(c)固体電解質を保護膜として導入した場合のリチウム空気電池の構成図。(d) 充放電反応後の負極の断面SEM像 (保護膜ありの場合) 。初期の100 μmの厚みをほぼ維持しており、劣化が大幅に抑制されています。スケールバー : 20 μm

掲載論文

題目 : Chemical Crossover Accelerates Degradation of Lithium Electrode in High Energy Density Rechargeable Lithium-Oxygen Batteries
著者 : 松田 翔一、小野 愛生、朝比奈 均、木村 伸、水木 恵美子、安川 栄起、山口 祥司、久保 佳実、魚崎 浩平
雑誌 : Advanced Energy Materials
掲載日時 : 日本時間2023年1月30日
DOI :10.1002/aenm.202203062

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