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。
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
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