大阪府立大學

全固體電池は新しいフェーズへ! 高エネルギー密度のリチウム硫黃二次電池を可能とする「正極」を開発 ―リチウムイオン電池を凌駕する次世代型全固體電池の実現に期待―

更新日:2021年10月28日

全固體電池は新しいフェーズへ!高エネルギー密度のリチウム硫黃二次電池を可能とする「正極」を開発―リチウムイオン電池を凌駕する次世代型全固體電池の実現に期待―

図 硫化リチウム正極、固體電解質層、負極から構成されている全固體リチウム硫黃二次電池(左上)、硫化リチウム正極は硫化物固體電解質粒子と硫化リチウム、Li+イオン伝導體、炭素からなるナノ複合體粒子から構成されています。ナノ複合體中のLi+イオン伝導體の分解耐性(右上)およびイオン伝導性(右下)が、硫化リチウムの性能に影響することを明らかにしました。

本學 工學研究科 物質?化學系専攻の林 晃敏 教授、作田 敦 準教授、計 賢 博士 (現:関西大學 特別任命助教)、博士前期課程 2年 藤田 侑志さん、辰巳砂 昌弘 學長らの研究グループは、次世代蓄電デバイスである全固體リチウム硫黃二次電池の実現に向けて、硫化リチウム正極活物質の容量と固體電解質の分解耐性の関係を明らかにしました。そのメカニズムに基づき、高エネルギー密度(解説1)な全固體リチウム硫黃二次電池を実現できる正極の開発に成功しました。

固體電解質は液體電解液と比較して密度が大きく、単一の電池あたりで従來のリチウムイオン電池を超えるエネルギー密度の全固體電池の実現は困難であると言われています。

この研究はリチウムイオン電池のエネルギー密度を超える全固體電池の実現可能性を世界に先駆けて示すものであり、電気自動車だけでなくポータブル電子機器や航空機などの用途拡大に向けた全固體電池の研究開発を大きく加速させるものと期待されます。

なお、本研究は出版社Wileyが刊行する學術雑誌「Advanced Functional Materials」に10月28日(日本時間)にオンライン掲載されました。

論文タイトル「Solid electrolyte with oxidation tolerance provides a high-capacity Li2S-based positive electrode for all-solid-state Li/S batteries」

硫化リチウム正極、固體電解質層、負極から構成されている全固體リチウム硫黃二次電池(左上)、硫化リチウム正極は硫化物固體電解質粒子と硫化リチウム、Li+イオン伝導體、炭素からなるナノ複合體粒子から構成されています。ナノ複合體中のLi+イオン伝導體の分解耐性(右上)およびイオン伝導性(右下)が、硫化リチウムの性能に影響することを明らかにしました。

本研究のポイント

  • 硫化リチウム正極活物質(解説2)と固體電解質(解説3)の分解耐性(解説4)の関係を解明
  • 分解耐性の高い固體電解質を含有する硫化リチウム正極の開発に成功し、リチウムイオン電池のエネルギー密度を超える全固體リチウム硫黃二次電池(解説5)が実現可能に
  • 電気自動車、ポータブル電子機器、航空機等への全固體電池の応用拡大に期待

研究者からのコメント

作田準教授 林教授

(左から)作田 準教授、林 教授

全固體電池は、従來のリチウムイオン電池に比べ「安全性」「高エネルギー密度」「長壽命」を兼ね備えた究極の電池です。

我々「無機化學研究グループ」は、1980年代から続く南 努 元學長、辰巳砂 昌弘 現學長らの先駆的な無機材料化學の研究の流れを開花させ、全固體電池の新たな時代の扉を開きました。

SDGs達成への貢獻

大阪府立大學は研究?教育活動を通じてSDGs17(持続可能な開発目標)の達成に貢獻をしています。

本研究はSDGs17のうち、「7:エネルギーをみんなにそしてクリーンに」「9:産業と技術革新の基盤をつくろう」等に貢獻しています。

研究助成資金等

本研究は、主として國立研究開発法人 科學技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発?特別重點技術領域「次世代蓄電池」(ALCA-SPRING)(JPMJAL1301)の支援を受けて実施されました。

用語解説

解説1 高エネルギー密度と安全性

固體電解質にすることで電池を積層することが可能になり、その結果エネルギー密度が高められる。従來の液體電解質では、積層しようとすると液が染み込んで電位を上げることできなかった。一つ一つの電池をケースに入れてそれを直列に繋ぐ必要があった。液體を封じ込める必要がなくなったので、液漏れがなくなり信頼性の向上が期待できる。

解説2 硫化リチウム正極活物質

硫化リチウム正極活物質は、電池の正極側でリチウムを出し入れすることによってエネルギーを貯めたり、取り出したりすることができる物質。充電によってリチウムを放出し、放電時にリチウムを受け取る。硫化リチウムの理論容量は、従來の正極活物質の理論容量よりもはるかに大きいが、絶縁體であるため、硫化リチウムを利用するために、多量の導電剤や固體電解質を必要とする。多量の導電剤や固體電解質は蓄電能力がないため、多量の導電剤と固體電解質、硫化リチウムを合わせた正極の容量は、従來の正極活物質を使用したときよりも低下するため、導電剤と固體電解質は可能な限り減少させる必要がある。

解説3 固體電解質

固體中を特定のイオンが高速に伝導する材料を固體電解質という。ここではリチウムイオンの伝導體を指す。従來はイオンの伝導性が注目されてきたが、近年は固體電解質の分解耐性が全固體電池の性能に関する研究開発が活発化している。固體電解質の分解耐性は構成元素によって変化し、主に陰イオンに依存する。この研究では硫化リチウムへのイオン輸送は分解耐性の高い酸化物、正極內のイオン輸送はリチウムイオン伝導性の高い硫化物が使用された。

解説4 分解耐性

硫化リチウム正極は、硫化物固體電解質粒子と高容量活物質の硫化リチウム、イオンの経路のリチウムイオン伝導體、電子の経路の炭素からなる複合體粒子から構成されている。これまでに硫化リチウムと複合化していたイオン伝導性の高い物質は充放電により壊れ易いということを見出して、イオン伝導率が多少低くても壊れない分解耐性の高い物質を硫化リチウムと複合化するためのイオン伝導體として開発した。その結果、充放電時には硫化リチウムと炭素との電子の経路、硫化リチウムとリチウムイオン伝導體とのイオンの経路を十分に確保できるようになった。

解説5? 全固體リチウム硫黃二次電池

一次電池は充電することができない繰り返し使用できない電池であり、二次電池は充電することができて繰り返し使用できる電池である。攜帯電話やノートパソコン等にリチウムイオン二次電池が広く使われている。二次電池は一般的に正極と負極が固體で正極と負極の間の電解質は液體という構造であり、それらをケースに包んで一つの電池を構成している。その液體の電解質を固體で置き換え、全て固體で構成したのが全固體電池である。電解質が有機電解液、正極が硫黃または硫化リチウム、負極がリチウム金屬からなるリチウム硫黃二次電池において、正極材料の反応中間體が有機電解液に溶出することで、リチウム硫黃二次電池の電池容量が劣化する問題がある。反応中間體の溶出を抜本的に防ぐために、有機電解液の代わりに固體電解質を利用したリチウム硫黃二次電池が全固體リチウム硫黃二次電池である。

関連情報

お問い合わせ

大阪府立大學大學院 工學研究科

準教授 作田 敦(さくだ あつし)

Tel 072-254-9333 Eメール saku[at]chem.osakafu-u.ac.jp [at]の部分を@と差し替えてください。
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