高エネルギー密度な蓄電池は、軽量性が重視されるドローンやIoT(モノのインターネット)機器、さらには電気自動車や家庭用蓄電システムなど、幅広い分野で高いニーズがある。現在利用されているリチウムイオン電池は、負極がグラファイト、正極がリチウムイオン含有金属酸化物と、いずれも重い材料を搭載しており、エネルギー密度の上限は1キログラム当たり300ワット時程度と予測される。このため、よりエネルギー密度の高い次世代蓄電池の早期実用化が強く求められている。

リチウム空気電池は、負極が金属リチウムという軽い素材で、正極には大気中の酸素を使うため、電池の中に入っている必要さえない。このため、現行のリチウムイオン電池の2倍以上のエネルギー密度が期待できる。一方でこれまでのリチウム空気電池は、バインダーや電解液など電池反応に直接関与しない材料が電池重量の多くの割合を占めており、充放電時の電気量も少なかった。こうした理由で、実際に高エネルギー密度なリチウム空気電池を作製・評価した例は非常に限られていた。

多孔性カーボン

我々は最近、1キログラム当たり500ワット時という高エネルギー密度なリチウム空気電池の、室温での安定な充放電サイクルに世界で初めて成功した。今回の成果の技術的なポイントは大きく二つ。一つ目は、正極に利用する多孔性カーボン電極の開発だ。従来の電極では、バインダーや基材など機械的強度を保持するための材料が重量の大部分を占め、電池反応に直接寄与する割合が小さいことが課題であった。そこで我々は、多孔性・電子伝導性・機械的強度を確保できる独自の成膜手法を確立。リチウム空気電池のエネルギー密度を最大限に高められる、多孔性カーボン自立膜の開発に成功した。

電解液注液

技術的なポイントの二つ目は、少量の電解液を均一に電極内部に浸透させる注液技術だ。リチウム空気電池のエネルギー密度を最大化するためには、電解液量を極限まで削減する必要がある。このような電解液注液操作は極めて難度が高いが、親水性フィルターを用いた転写法やインクジェット法を適用する工夫により、技術的な目途がつけられた。

こうして1キログラム当たり500ワット時という高いエネルギー密度の実証には成功したが、サイクル数は10回程度と、まだ課題は残っている。今後は、電池内部反応の先端分析による劣化機構解明や、自動実験技術を用いた材料探索により、サイクルの飛躍的向上を試みる計画だ。

物質・材料研究機構(NIMS) エネルギー・環境材料研究拠点 二次電池材料グループ 主任研究員 松田翔一
15年東京大学大学院工学系研究科博士課程修了、博士(工学)。同年、NIMS若手国際研究センターICYS研究員を経て、17年より現職。