リチウム空気電池の充放電回数を向上させる、カーボン正極の構造を考案：研究開発の最前線

東北大学は、リチウム空気電池の充放電回数を向上させる、カーボン正極の構造を考案した。従来のカーボン素材との比較では、容量、サイクル寿命の両方で上回っていることが確認された。

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　東北大学は2023年11月14日、リチウム空気電池の充放電回数（サイクル寿命）を向上させるカーボン正極の構造を発表した。物質・材料研究機構（NIMS）、大阪大学、お茶の水女子大学、北海道大学との共同研究による成果だ。

　リチウム空気電池は、単位質量当たりに蓄えられるエネルギーが従来のリチウムイオン電池より数倍以上高く、次世代電池として注目される。一方で、電池内部の正極、負極、電解液の全てで劣化が進行し、サイクル寿命が十数回程度に限られる。

　この課題に対して研究グループは、正極の劣化耐久性向上に取り組み、sp²炭素からなるカーボン新素材「グラフェンメソスポンジ（GMS）」を用いた構造を考案した。

　圧縮成型によりペレットにしたアルミナ（Al₂O₃）ナノ粒子に、化学気相蒸着（CVD）で約1層のグラフェンを被覆後、フッ化水素酸などによる化学エッチングでアルミナナノ粒子を除去。これにより得られたペレット状のポーラスカーボンを1800℃で加熱することで、GMS自立膜が生成される。

グラフェンメソスポンジ自立膜の調製スキームと構造の模式図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　GMS自立膜は積層がない3次元的な細孔構造で、過酸化リチウム（Li₂O₂）の析出に必要な細孔容積を確保し、電池の高容量化と軽量化が可能だ。また、製造過程の加熱時に、劣化の起点となるグラフェンの端（エッジ）が除去されるため、劣化耐久性が向上する。

　従来のカーボン素材との比較では、容量、サイクル寿命の両方で上回っていることが確認された。今後は、リチウム空気電池の実用化に向け、負極と電解液のサイクル寿命向上を図る。

（a）構造が異なるGMS自立膜の、重量あたりの容量を面積当たりの容量に対しプロットしたもので、グラフの右上ほど高性能。（b）（a）に示したグラフの中で特に高性能であったデータ番号11、12を、従来のカーボン正極と比較［クリックで拡大］ 出所：東北大学

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