リチウムイオン電池用負極、充放電時の劣化を回避：適度な硬さの高純度アルミニウム箔

東北大学金属材料研究所と住友化学は、リチウムイオン二次電池の負極に高純度アルミニウム箔（はく）を用いることで、充放電時の劣化を回避できる新たな機構を解明した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電池の製造プロセスを簡素化でき、高性能化も可能に

　東北大学金属材料研究所の李弘毅特任助教や市坪哲教授らによる研究グループと住友化学は2020年4月、リチウムイオン二次電池の負極に高純度アルミニウム箔（はく）を用いることで、充放電時の劣化を回避できる新たな機構を解明したと発表した。

　リチウムイオン二次電池に用いる負極は、炭素系材料と銅箔による積層構造とするのが一般的である。近年は、電池の高容量化に向けて、炭素系材料よりも3〜10倍のエネルギーを蓄えられるシリコンの他、スズやアルミニウムといった金属系材料の採用が注目されている。ところが金属系材料は、充放電時に体積が2〜3倍も膨縮をするため、体積ひずみによって内部の電極構造が崩れやすいという課題があった。

　研究グループは今回、高純度アルミニウム箔の硬さを最適化すれば、充放電時の体積膨縮を制御することが可能なことを見いだした。

　具体的には、高純度アルミニウム箔全面で均一にリチウムイオンを受け入れると、アルミニウムとリチウムの化合物が均一に形成される。この化合物は特異性質により、箔表面と深部で濃度（リチウム比率）勾配ができる。この結果、箔深部にあるアルミニウムが表面へ押し上げられて、厚み方向にだけ体積が膨張して、充電（リチウム化）が行われるという。

　放電時は、充電によって膨張したアルミニウムとリチウムの化合物表面から、リチウムイオンを放出する。放電が終わると、多くの孔が空いたアルミニウム構造に変化するため、次の充電時に効率よくリチウムイオンを受け入れることができるという。この時、アルミニウム箔の底部は変化せず、電流を集める層として機能する。

　従来の負極材は、リチウムイオンを蓄える炭素系材料と電流を集める銅箔を積層していたが、開発した高純度アルミニウム箔は、両方の機能を併せ持つ一体型負極になり得るという。

リチウムイオン二次電池の充放電における劣化を回避する新たな機構のイメージ図 （クリックで拡大） 出典：東北大学、住友化学

　今回の成果について研究グループは、電池の製造プロセスを簡素にできるため、製造工程における環境負荷を低減しつつ、高容量化や軽量化、低価格化なども可能になるとみている。全固体電池にも今回の成果を適用できる可能性があるという。