500Wh/kg 級リチウム空気電池を開発~世界最高レベルのエネルギー密度を実証~

2021.12.15更新
概要

国立研究開発法人物質・材料研究機構(以下「NIMS」)は、ソフトバンク株式会社(以下「ソフトバ ンク」)と共同で、現行のリチウムイオン電池の重量エネルギー密度(Wh/kg)を大きく上回る 500Wh /kg 級リチウム空気電池を開発し、室温での充放電反応を実現しました。さらに、世界中で報告されてい るリチウム空気電池の性能の網羅的な調査により、NIMS が開発したリチウム空気電池は、エネルギー密 度ならびに、サイクル数の観点で世界最高レベルであることを示しました。本研究成果は、リチウム空気 電池の実用化に向け、大きな一歩となるものです。

研究の背景

リチウム空気電池※1は、重量エネルギー密度※2が圧倒的に大きいことから、軽量性が重視されるドロー ンやIoT機器、さらには電気自動車や家庭用蓄電システムなど、幅広い分野への応用が期待されています。 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、負極にはリチウム金属を用いることによっ て、理論エネルギー密度が現行のリチウムイオン電池の数倍に達する「究極の二次電池」です。NIMS は JST の支援のもとリチウム空気電池の研究開発を進めてきました。さらに、2018 年にソフトバンクと共 同で、NIMS-SoftBank 先端技術開発センターを設立し、携帯電話基地局や IoT、HAPS※3 などに向けた リチウム空気電池の実用を目指した開発研究を行ってきました。リチウム空気電池は理論的には非常に高 いエネルギー密度を示す一方で、従来のリチウム空気電池の特性評価で一般的に使われてきた電池におい ては、セパレータや電解液といった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、 実際に高エネルギー密度なリチウム空気電池を作製・評価した例は限られていました。

研究内容と成果

リチウム空気電池は、正極(酸素極)、セパレータ+電解液、負極(金属リチウム)を積層した構造です。 放電反応では、負極で金属リチウムが電解液に溶出し、正極で酸素と反応して、過酸化リチウムが析出し ます。この過酸化リチウムの析出量が蓄電容量となるため、正極のカーボン材料は、高空隙率・高比表面 積を有する材料が望ましいと考えられます。また、充電反応では、放電反応とは逆で、正極の過酸化リチ ウムが分解し酸素を放出、負極では金属リチウムが析出します。この際に、正極・負極双方において、高 い可逆性で反応が進行するような電解液材料が求められます。研究チームは、これまでのALCA-SPRING での研究により、リチウム空気電池の持つ高いポテンシャルを最大限に引き出すことができる多孔性カー ボン電極やレドックスメディエーター※4含有の電解液などの独自材料を開発してきました(図1a)。今回、 研究チームは、NIMS-SoftBank 先端技術開発センターで開発した、電解液注液技術や電極積層技術に代 表される高エネルギー密度リチウム空気電池セル作製技術(図1b)をこれら材料群に適用することで、現 行のリチウムイオン電池のエネルギー密度を大きく上回る 500Wh/kg 級リチウム空気電池の室温での充 放電反応を世界で初めて実現しました(図1c)。 ※NIMS調べ(2021年12月14日現在)

図1:(a)ALCA-SPRING での研究により開発したリチウム空気電池用独自材料、
(b)NIMSSoftBank 先端技術開発センターで開発したセル作製技術、
(c)500Wh/kg 級のリチウム空気電池の 室温での充放電反応を本研究で初めて実験的に確認。

さらに、研究チームは、世界中で報告されているリチウム空気電池の性能を網羅的に調査して、定量的 かつ客観的に比較しました。リチウム空気電池の研究開発を行っている研究グループは、各々独自の評価 セル・評価条件を用いて電池性能を評価しているため、それぞれの評価結果を系統的に把握し、比較する ことは簡単ではありません。今回、研究チームは、文献に記載されている電極や電解液の種類や重量とい った電池情報の細部まで調査し、電池のエネルギー密度を算出することに成功しました。その結果、NIMS とソフトバンクが開発したリチウム空気電池は、エネルギー密度ならびに、サイクル数の観点で世界最高 レベルであることが明らかとなりました(図2)。一般的に、エネルギー密度とサイクル数はトレードオフ の関係にあるため、図2の右上に点があるほど高性能の電池といえます。

図2:世界中で報告されているリチウム空気電池性能の調査結果
今後の展開

本研究は、現行のリチウムイオン電池のエネルギー密度を大きく上回る 500Wh/kg 級リチウム電池の 室温での充放電反応を初めて実現したものであり、リチウム空気電池の実用化研究開発における大きな一 歩となるものです。今後は、本研究で確立した500Wh/kg 級リチウム空気電池に、現在開発中の改良材 料群を搭載することで、サイクル寿命の大幅増加を図り、NIMS-SoftBank 先端技術開発センターでのリ チウム空気電池の早期実用化につなげます。

<用語解説>

※1 リチウム空気電池
空気中の酸素を正極活物質とし、リチウム金属負極と非水系電解液からなる二次電池。理論エネルギー密 度が現行のリチウムイオン電池の数倍に達する「究極の二次電池」として知られます。重量エネルギー密 度が圧倒的に大きいことから、軽量性が重視されるドローンやIoT 機器、さらには電気自動車や家庭用蓄 電など、幅広い分野への応用が期待されます。

※2 重量エネルギー密度
単位重量当たりの電池の容量。Wh/kg の単位で表されます。この値が大きいほど、より多くのエネルギ ーを電池に蓄えることができます。

※3 HAPS(High Altitude Platform Station)
成層圏に飛行させた航空機などの無人機体を通信基地局のように運用し、広域エリアに通信サービスを提 供する次世代通信システムです。山岳部や離島・発展途上国など通信ネットワークが整っていない場所や 地域に、安定したインターネット接続環境を構築することが期待されます。

※4 レドックスメディエーター
電解液中に酸化還元種が存在すると、充電反応を媒介する可能性があります。リチウム空気電池の充電反 応は過酸化リチウムの電気化学的な酸化反応ですが、レドックスメディエーターの酸化体が存在すると、 それが過酸化リチウムを化学的に分解します(レドックスメディエーターは還元される)。このように、 自身の酸化還元(レドックス)反応によって他の反応を媒介する化学種をレドックスメディエーターとい います。

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