Siナノ粒子をグラファイトに添加、蓄電デバイスが高性能に：最高エネルギー密度は129.3Wh/kg

秋田大学は、リチウムイオンキャパシター用の「三元複合負極材」を開発した。この負極材を用いて試作したリチウムイオンキャパシターは、129.3Wh/kgという最高エネルギー密度を達成した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

グラファイトとハードカーボン、ナノSiの質量比「2対6対2」

　秋田大学大学院理工学研究科のチェン チェンジェ博士研究員と熊谷誠治教授らの研究グループは2025年4月、リチウムイオンキャパシター用の「三元複合負極材」を開発したと発表した。この負極材を用いて試作したリチウムイオンキャパシターは、129.3Wh/kgという最高エネルギー密度を達成した。

　リチウムイオンキャパシターは、負極材に炭素系材料を、正極材に活性炭をそれぞれ用いた蓄電デバイス。「エネルギー密度」「入出力密度」「サイクル寿命」のバランスに優れている。ただ、従来の負極材は比容量が低いため、リチウムイオン電池に比べるとエネルギー密度は低かった。

　研究グループはこれまで、グラファイトとハードカーボンの質量比が1対3の複合負極材を開発し、エネルギー密度とサイクル寿命を改善してきた。さらに、エネルギー密度をさらに向上させるため、室温で約3600mAh/gという極めて高い比容量を持つシリコン（Si）に着目した。そして、膨張収縮の影響を最小化するために、ナノ粒子化したSiをグラファイトに添加した。この複合負極材を用いて作製したリチウムイオンキャパシターは、87.3Wh/kgというエネルギー密度を実現。1万サイクルの充放電後でも初期エネルギー密度の87.2％を維持できた。

リチウムイオンキャパシターの動作機構［クリックで拡大］ 出所：秋田大学

　今回は、エネルギー密度のさらなる向上を目指し、複合負極材を改良した。そして、グラファイトとナノSiの複合材にハードカーボンを添加した三元複合負極材を開発した。グラファイトとハードカーボン、ナノSiの質量比は「2対6対2」である。

　ハードカーボン中の無定形炭素領域が、リチウムイオンの吸蔵放出によるSi粒子の膨張収縮を緩和し、サイクル安定性を向上させた。しかもグラファイトが存在することで負極中の電気伝導率が増え、入出力密度が増加した。

　こうした効果により、三元複合負極材を用いたリチウムイオンキャパシターの最高エネルギー密度は129.3Wh/kgとなった。セル電圧2.0〜4.0Vの充放電試験では、1万サイクル後においてエネルギー密度は88.4％を維持した。セル電圧1.5〜4.2Vで5000サイクルの充放電試験後でも、90.1％のエネルギー密度が維持されていることを確認した。

三元複合負極材を用いたリチウムイオンキャパシターのサイクル特性と充放電試験前後における負極材の電子顕微鏡写真［クリックで拡大］ 出所：秋田大学

　研究グループは今後、比較的安価に調達できるサブミクロンやミクロンサイズのSi粒子を適用する技術の開発や、充放電特性のさらなる改善に取り組んでいく。