NIMSら、500Wh/kg級のリチウム空気電池を開発：エネルギー密度は世界最高レベル

物質・材料研究機構（NIMS）は、重量エネルギー密度が500Wh/kg級のリチウム空気電池をソフトバンクと共同開発し、室温での充放電反応を実現した。開発したリチウム空気電池は、「エネルギー密度」と「サイクル数」が世界最高レベルだという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

改良型材料の搭載でサイクル寿命を改善し、早期実用化を目指す

　物質・材料研究機構（NIMS）は2021年12月、重量エネルギー密度が500Wh/kg級のリチウム空気電池をソフトバンクと共同開発し、室温での充放電反応を実現したと発表した。開発したリチウム空気電池は、「エネルギー密度」と「サイクル数」が世界最高レベルだという。

　NIMSは、科学技術振興機構（JST）が進めるプロジェクト「ALCA次世代蓄電池（ALCA-SPRING）」の支援を受け、高容量蓄電池の基礎研究に取り組んできた。2018年には、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。携帯電話基地局やIoT（モノのインターネット）、HAPS（High Altitude Platform Station）などの用途で用いる次世代蓄電池の実用化研究を行ってきた。

　リチウム空気電池は、現行のリチウムイオン電池と比べ、理論重量エネルギー密度が数倍に達するとみられ、ドローンや電気自動車、家庭用蓄電システムなどへの応用が期待されている。ただ、セパレーターや電解液など電池反応に直接関与しない材料が、電池重量の大半を占めるなど、実用化に向けてはいくつかの課題もあった。

　リチウム空気電池は、正極（酸素極）、セパレーター＋電解液、負極（金属リチウム）を積層した構造になっている。放電反応を見ると、金属リチウムが負極で電解液に溶出、正極で酸素と反応することによって、過酸化リチウムが析出される。過酸化リチウムの析出量が蓄電容量となる。このことから、正極のカーボン材料としては、高い空隙率と比表面積を有する材料が適している。

　充電反応はその逆で、正極の過酸化リチウムが分解して酸素を放出し、負極では金属リチウムが析出される。この時、正極と負極の双方で、高い可逆性で反応が起きるような電解液材料が求められるという。研究チームはこれまでの研究成果を基に、「多孔性カーボン電極」や「レドックスメディエーター含有電解液」などの独自材料を開発してきた。

　そして今回、NIMS-SoftBank先端技術開発センターが開発した電解液注液技術や、電極積層技術など高エネルギー密度リチウム空気電池セルの作製技術と、独自開発の材料を用いて、500Wh/kg級のリチウム空気電池を試作。室温での充放電反応を実現した。

左側がリチウム空気電池用に開発した独自材料、右上がセル作製技術のイメージ、右下は試作品を用いた室温での充放電反応 出所：NIMS

　さらに研究チームは、リチウム空気電池の性能に関する世界中の文献を調査。電池のエネルギー密度を算出して、開発したリチウム空気電池と比較した。この結果、開発したリチウム空気電池は、「エネルギー密度」と「サイクル数」において、世界最高レベルの電池であることが分かった。

報告済みのリチウム空気電池との性能比較 出所：NIMS

　研究チームは今後、改良中の材料を搭載することでサイクル寿命を大幅に改善し、NIMS-SoftBank先端技術開発センターにおいて、リチウム空気電池の早期実用化を目指す。