蓄電容量はLi電池の15倍、NIMSのリチウム空気電池：空気極にCNTシートを採用

EVの走行距離をガソリン車並みに延ばす電池も可能に

　物質・材料研究機構（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チームリーダーを務める久保佳実氏と野村晃敬研究員らによる研究チームは2017年4月、蓄電容量が極めて高いリチウム空気電池を開発したと発表した。従来のリチウムイオン電池に比べて15倍に相当する高さだという。

　リチウム空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極にリチウム金属を用いる二次電池である。その構成は簡単で、正極（空気極）、セパレーター、負極（リチウム金属）を重ね、その間に電解液を注入している。

リチウム空気二次電池の概念図 出典：物質・材料研究機構、科学技術振興機構

　放電反応は、負極からリチウムが溶け出し、正極で酸素と反応して過酸化リチウム（Li₂O₂）が析出することによって起こる。この析出量が蓄電容量になる。このため、正極に用いるカーボン材料は、より多孔質な材料が適しているという。ところが、Li₂O₂は絶縁体であり、析出した膜が厚くなりすぎると電気化学反応が停止する。また、析出したLi₂O₂が空孔体積を埋め尽くした場合には酸素が通らずに、反応が停止することになる。このため、蓄電容量を高めるのは極めて難しいとみられていた。

　研究チームは今回、空気極材料に不織布状のカーボンナノチューブ（CNT）シートを用いた。そうしたところ、Li₂O₂はCNTシートを押し広げながら、大量に析出し続けることが分かった。当初200μmであったCNTシートの厚みは、3倍の600μmまで膨らんだという。このCNTシートは、充電（Li₂O₂の分解）を行うと析出物が消えて元の厚みに戻る。このような体積変化について研究チームは、「CNT特有の強靭さと柔軟さによるもの」と分析している。

CNTシートを用いた空気極のSEM写真。左は放電後で過酸化リチウムが大量に析出、右は充電後で過酸化リチウムが分解しCNTのみ見える 出典：物質・材料研究機構、科学技術振興機構

左はCNTシートを用いた空気極のイメージ図、右は巨大容量の放電及び充電特性 出典：物質・材料研究機構、科学技術振興機構

　今回の研究成果をベースに、空気極の微細構造などを最適化し、セル形状のリチウム空気電池を試作した。このセルを評価した結果、単位面積当たりの蓄電容量を30mAh/cm²まで高めることができた。従来のリチウム電池は2mAh/cm²程度であり、これに比べると15倍に相当する蓄電容量となることを実証した。EV（電気自動車）用電源に今回の研究成果を適用すると、満充電でガソリン車並みの走行距離を実現する電池を開発することも可能になる。

　研究チームは今後、実用レベルの高容量リチウム空気電池システムの開発を目指す。このため、セルを積層したスタックの高エネルギー密度化を進めるとともに、空気から不純物を取り除く研究などにも取り組んでいく予定だ。

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