高速で充放電可能な二次電池用正極構造を開発：活物質にPBA NP、導電助剤にSWNT

山形大学と関西学院大学は、高速で充放電可能な二次電池を実現するための「新しい正極構造」を開発した。電気自動車やドローン向け電源や非常用電源などへの応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電気自動車やドローン向け電源や非常用電源などに応用

　山形大学理学部の石崎学講師と栗原正人教授、関西学院大学工学部の吉川浩史教授らによる研究グループは2024年1月、高速で充放電可能な二次電池を実現するための「新しい正極構造」を開発したと発表した。電気自動車やドローン向け電源や非常用電源などへの応用が期待される。

　開発した二次電池の正極は、多孔性配位高分子であるプルシアンブルーの類似体（PBA）ナノ粒子（NP）を活物質に、単層カーボンナノチューブ（SWNT）を導電助剤に用いた構造である。負極には高い安全性と起電力が得られる「金属亜鉛（Zn）」を採用した。

プルシアンブルー類似体（PBA）の構造と、複合イオン電解液を用いたZnイオン二次電池の駆動モデル［クリックで拡大］ 出所：山形大学、関西学院大学

　一般的な電極は、活物質と炭素粒子系導電助剤、バインダーを混錬したペーストを電極に塗布して作製する。この方法だと活物質が凝集し、電解質イオンの高速伝導経路が構築できないという。

　そこで今回は、PBA NPに対し微量のSWNTを用い、これらの分散液を混合・濾過することでバインダーフリーの電極を作製した。正極はPBA NPが独立してSWNTに接することで電子の伝導経路を形成する。また、ナノ粒子間のナノ細孔によって、迅速な電解質イオンの移動を可能にした。

既存法で作製した正極と、今回作製した正極の電子顕微鏡像および構造モデル［クリックで拡大］ 出所：山形大学、関西学院大学

　このため、RSW構造と呼ぶこの電極を正極としたZn−Naイオン二次電池は、充放電時の構造変化ストレスを抑えることができ、従来の正極を用いた時に比べ、極めて高速に充放電が可能となった。

　実験の結果から、1000C（充電または放電時間3.6秒）であっても、明瞭なプラトー領域（電池容量の変化に対し電圧が一定となる領域）があり、ZnPBA NPとZn電極間で超高速な酸化還元反応を示すことが分かった。

　耐久性にも優れている。充放電を最低15万回繰り返し行った後でも、RSW電極の構造は壊れず、電池性能が維持されていることを確認した。しかも、RSW電極を用いることで、高いエネルギー密度（Wh kg^-1）と、大きな出力密度（W kg^-1）という2つの特長を兼ね備えることができるという。

左はZnPBAを含むRSW電極の充放電特性（Cレート依存性）、右は耐久性の試験結果［クリックで拡大］ 出所：山形大学、関西学院大学