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» 2017年05月31日 09時30分 UPDATE

硫化リチウムベース固溶体を採用:高容量で長寿命、リチウム−硫黄二次電池用電極 (1/2)

大阪府立大学の辰巳砂昌弘教授らは、高容量と長寿命を兼ね備えたリチウム−硫黄二次電池用正極の開発に成功した。エネルギー密度の高い次世代蓄電池の開発が可能となる。

[馬本隆綱,EE Times Japan]

2000回のサイクル試験後も容量変化なし

 大阪府立大学大学院工学研究科の辰巳砂昌弘教授と林晃敏教授および、博士研究員の計賢氏らは2017年5月、高容量と長寿命を兼ね備えたリチウム−硫黄二次電池用正極の開発に成功したと発表した。従来のリチウムイオン電池に比べて、2倍のエネルギー密度を有する全固体リチウム−硫黄二次電池を実現することが可能となる。

 電池の理論エネルギー密度は、主に正極と負極の材料によって支配されるという。電極がリチウム(Li)と硫黄(S)で構成されるリチウム−硫黄二次電池は、理論エネルギー密度が従来のリチウムイオン電池に比べて5倍を上回るが、実用化に向けてはいくつかの課題を解決する必要がある。

 例えば、放電時(正極のSにLiが挿入する反応)あるいは、充電時(硫化リチウム(Li2S)からLiが脱離をする反応)に、反応中間体である多硫化リチウム(Li2Sx)が、正極から有機電解液に溶出し電池の容量が劣化する。また、正極のSやLi2Sは絶縁体であり、大きな理論容量を実質的に利用することが難しいといわれてきた。

 研究チームは今回、硫化物固体電解質とLi2Sベースの固溶体を組み合わせた正極を開発した。特に、Li2Sとハロゲン化リチウム(LiCl、LiBr、LiI)で構成されるLi2Sベース固溶体を作製し、Li2S自体の高イオン伝導化を検討した。

左は従来のリチウム−硫黄電池、右はLi2Sベース固溶体と硫化物固体電解質を組み合わせた正極を採用した全固体電池の原理イメージ 出典:大阪府立大学、科学技術振興機構(JST)

 研究チームは、作製したLi2Sベース固溶体の特性評価を行った。試料をX線解析(XDR)パターンによって測定したところ、Li2Sに帰属するピークのみを観測することができた。ハロゲン化リチウムのピークは消失していることが分かった。

 「(100−x)Li2S・xLiI」においては、xが25の組成でLiIのピークを観察することができた。一方、xが20あるいはそれ以下の組成領域では、Li2Sベース固溶体の生成を確認することができたという。作製した試料の格子定数は、ハロゲン化リチウムの置換に伴って連続的に変化していることから、Li2Sを母相とする固溶体が生成されたと見ている。また、ハロゲン化物アニオンを導入することによって、Li2S自体のイオン伝導度は最大で2桁増大し、室温で10-6Scm-1を上回る数値を示した。

上部は作製したLi2Sベース固溶体のXRDパターン、下部は格子定数(左)とイオン伝導度(右)の組成依存性 出典:大阪府立大学、科学技術振興機構(JST)
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