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カーボンナノチューブ空気極により超高容量なリチウム空気電池を開発 ~リチウムイオン電池の15倍! 電気自動車でガソリン車並みの走行距離実現へ前進~

 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS)と同 科学技術振興機構(JST)は2017年4月5日,NIMS エネルギー・環境材料研究拠点 ナノ材料科学環境拠点 リチウム空気電池特別推進チームの久保 佳実チームリーダー,野村 晃敬 研究員らの研究チームが,リチウム空気電池(Lithium Air Battery, LAB)の空気極材料にカーボンナノチューブ(CNT)を採用することにより,従来のリチウムイオン電池(Lithium Ion Battery, LIB)の15倍に相当する極めて高い蓄電容量を実現したと発表した.本研究は,JST 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)並びに文部科学省委託事業「ナノテクノロジーを活用した環境技術開発プログラム・統合型材料開発プログラム」,池谷科学技術振興財団H27年度研究助成の支援を受けて行われ,成果は,英国科学誌Scientific Reportsで公開された(注).

 電気自動車の電源,太陽電池出力を夜間などに向けて蓄える家庭用分散電源には,蓄電池が用いられ,蓄電容量,寿命,コストの改善が求められている.現在主流の蓄電池であるLIBは炭素を正極,Li金属化合物を負極に用いて,2mAh/cm2程度の単位面積当たり蓄電容量を得ている.これに対し,LIB同様,Liイオンの移動を用いるが,正極活物質として空気中の酸素(O)を用い,負極にLi金属を用いるLABは,理論エネルギー密度がLIBの5-10倍に達するとされる.しかしながら,現実のセルにおいて大容量を実証した例は知られていないという.

 LABは,正極(多孔質カーボンからなる空気極),セパレータ,負極(リチウム金属)を重ね,電解液を入れて構成される.放電反応では,負極からLiが溶け出し,正極で酸素と反応して過酸化リチウム(Li2O2)が析出し,この析出量が蓄電容量となる.しかしLi2O2は絶縁体であるため,層が厚くなると電気が通らなくなって,電気化学反応が停止し,極く薄くしか析出することが出来ない.また,カーボンの空孔をLi2O2が埋め尽くした時点で酸素が通らなくなり,反応は停止する.このため,蓄電容量が制限されていた.

 これに対し,研究チームが今回,空気極材料として,溶剤に分散した単層CNTから真空吸引法で得た不織布状のシートを用い,CR2032型のコイン電池を作成したところ,30mAh/cm2という高い蓄電容量が得られた.これは,放電の際,Li2O2がCNTシートを押し広げて大量に析出し続け,充電の際には,Li2O2析出物が消えてCNTシートは元の厚さに戻るという可逆的変化が起こっていたことによる.CNTシートの厚さは放電の際に,当初の200µmから600µmまで3倍にも膨らんでいた.この振舞は,CNTシートが柔軟性に富み,繊維状の導電網を構成することによると見られ,CNTシートは大容量の実用LAB開発における空気極材料として大いに期待できるとしている.

 今後は,実用的なレベルでの高容量LABシステムの開発を目指し,セルを積層したスタックの高エネルギー密度化,空気から不純物を取り除くといった研究にも取り組むとのことである.

(注)Akihiro Nomura, Kimihiko Ito, and Yoshimi Kubo, "CNT Sheet Air Electrode for the Development of Ultra-High Cell Capacity in Lithium-Air Batteries", Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 45596 (2017), doi: 10.1038/srep45596; Published online: 05 April 2017