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硫黄で作る革新リチウム電池、安定した充放電サイクルを達成

スマートジャパン 7月6日(水)9時10分配信

 産業技術総合研究所(以下、産総研)省エネルギー研究部門の首席研究員で、南京大学講座教授や筑波大学連携大学院教授などを兼務する周豪慎氏は2016年6月28日、筑波大学大学院システム情報工学研究科構造エネルギー工学専攻博士課程の柏松延氏らと共同で、安定した充放電サイクル特性を持つリチウム硫黄電池の開発に成功したと発表した。電池のセパレーターに「イオンふるい」効果を持つ金属有機構造体を利用することで実現した。

 電気自動車の航続距離拡大や再生可能エネルギーの有効利用などに向け、リチウムイオン電池の高性能化が期待されている。その中で産総研ではリチウムイオン電池の“次”を担う、より高性能な次世代電池として「リチウム空気電池」や「ナトリウムイオン電池」などの研究開発を進めている。今回発表したリチウム硫黄電池もその1つである。

 リチウム硫黄電池は、正極材料に硫黄を用いた電池である。硫黄を用いた電極(正極)は、1グラム当たり1675mAh(ミリアンペアアワー)の電気量を蓄えられる。これは現在広く使われているリチウム金属酸化物を用いた正極では実現できない容量だ。そのため理論的には現在のリチウムイオン電池の数倍の重量エネルギー密度を可能にする次世代電池として、実用化が期待されている。硫黄は安価であり、手に入りやすい資源であるというメリットもある。

 一方、実用化に向けた課題も残っている。硫黄正極の放電反応により生成される多硫化物は電解液への溶解度が高く、正極から多硫化物が容易に溶出してしまう。さらに溶出した多硫化物が正負極間で酸化還元反応を繰り返すことで自己放電が生じ、充放電サイクルに伴って電池容量が大きく低下してしまう。こうした課題から、リチウム硫黄電池の実用化に向けた研究開発では「多硫化物の溶出を防止するための方法」がポイントになる場合も多い。

 しかし今回の研究グループが発表した成果は、こうした多硫化物の溶出を防止するのではなく、金属有機構造体による「分子ふるい」の効果でイオン種を分別して、多硫化イオンの正極側から負極側への移動を制限するという点が特徴だ。これにより正負極間で酸化還元反応を防ぎ、充放電サイクル特性の安定化を狙う。使用した金属有機構造体は、これまでも気体分子の吸着と分離を行うといった用途において、広く利用されているものだという。

1500回の充放電後も安定動作

 金属有機構造体が「分子ふるい」の効果を示すのは、サブナノメートル~数ナノメートルの範囲でサイズが一定の3次元的なミクロ孔を持つことに起因する。今回研究グループは、多硫化イオンは通り抜けられないがリチウムイオンは通り抜けるサイズのミクロ孔を持つ金属有機構造体をセパレーターの材料に選択した。

 金属有機構造体は結晶であり、割れやすい。そこで強度を保つために酸化グラフェン層に混合して柔軟性を持たせた複合金属有機構造体膜を合成した。これをリチウム硫黄電池のセパレーターとして用いたところ、電池の性能低下につながる多硫化物イオンの酸化還元反応を抑えることに成功した。

 具体的には複合金属有機構造体膜をセパレーターとしたリチウム硫黄電池を、電流密度1673mA/g(ミリアンペア/グラム)、室温で1500回の充放電を繰り返したところ、初期活性化するための約100回を除き、100~1500回までの放電容量の劣化がほぼなかったことを確認した。1500回目の充放電を終えても、放電容量も900mAh/gを維持でき、良好なサイクル特性を示したとしている。研究グループでは今後、複合金属有機構造体膜をセパレーターとして利用し、実用化に向け優れた性能のリチウム硫黄電池の開発を目指す方針だ。

最終更新:7月6日(水)9時10分

スマートジャパン