電力量1Wh級の積層型リチウム空気電池を開発、NIMSら：高出力、長寿命、大型化を同時実現

物質・材料研究機構（NIMS）は、「高出力、長寿命、大型化」を同時に実現する「カーボン電極」を東洋炭素と共同開発し、これを用いて電力量が1Wh級の積層型リチウム空気電池を試作し、安定動作することを確認した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

メソスケール細孔制御技術と多孔性カーボン自立膜作製技術を融合

　物質・材料研究機構（NIMS）は2025年9月、「高出力、長寿命、大型化」を同時に実現する「カーボン電極」を東洋炭素と共同開発し、これを用いて電力量が1Wh級の積層型リチウム空気電池を試作し、安定動作することを確認したと発表した。

　リチウム空気電池は、リチウムイオン電池に比べ理論上の重量エネルギー密度が数倍になるといわれている。既に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開発済みだ。ただこれまでに報告されたリチウム空気電池のほとんどは、電力量が0.01Wh以下にとどまっている。このため、実用化に向けては、電池セルの大型化など技術的にクリアすべき課題がいくつかあるという。

　そこで今回は、東洋炭素が有する「メソスケール細孔制御技術」と、NIMSが蓄積してきた「多孔性カーボン自立膜作製技術」を融合し、「高出力、長寿命、大型化」という課題を同時に解決できるカーボン電極の開発に取り組んだ。

左はメソスケール細孔が制御されたカーボン材料合成スキームの概念図。右は作製した1Wh級の積層型リチウム空気電池の外観［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学

　具体的には、MgO粒子を鋳型に用いるテンプレート法によって、メソスケール細孔構造を制御したカーボン材料を作製。そして、リチウム空気電池に適した細孔サイズになるようチューニングを行った。こうして得られたカーボン粉末に対し、適切な温度で熱処理を行い黒鉛化することで材料の結晶性と耐久性を向上させた。

　さらに、開発したカーボン粉末を主成分とするスラリーを調製し、ドクターブレード法で塗工した。その後、非溶媒誘起相分離法を用い、膜内部にマクロスケールの細孔構造を導入した。この構造にしたことで、電池の高出力運転が可能となった。作製した多孔性カーボン自立膜は、94％という高い空隙率を実現しながら、機械的強度にも優れているという。

　開発したカーボン電極を正極に用いてリチウム空気電池を作製、その充放電特性を評価した。この結果、1.5mA/cm²という電流密度下で150サイクル以上の充放電動作を確認した。なお、カーボン電極の作製プロセスは、10cm角以上の大面積にも対応可能だという。今回は、大きさが4cm角という電極を用い、積層型リチウム空気電池セルを試作した。

左はカーボン粉末のTEM像。右上は1.5mA/cm²条件におけるリチウム空気電池の性能評価結果。右下は従来のリチウム空気電池との性能比較［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学