容量がリチウムイオン電池の7倍!? 酸化物イオンを使う新原理の二次電池:材料技術
東京大学大学院工学研究科教授の水野哲孝氏のグループと日本触媒は、現行のリチウムイオン電池の7倍に達するエネルギー密度を可能とする、新原理の二次電池の動作を実証したと発表した。この新原理の二次電池は、正極中における酸化物イオンと過酸化物イオンの酸化還元反応を利用する。
東京大学大学院工学研究科は2014年7月14日、現行のリチウムイオン電池の7倍に達するエネルギー密度を可能とする、新原理の二次電池の動作を実証したと発表した。同研究科応用化学専攻教授の水野哲孝氏のグループと日本触媒が共同で研究した成果となる。満充電からの走行距離の短さが最大の課題になっている電気自動車向け次世代二次電池としての実用化が期待できるという。
現行のリチウムイオン電池は、正極材料として用いるリチウムの遷移金属(コバルトやマンガンなど)酸化物の酸化還元反応によってリチウムイオンが出入りすることで充電や放電を行っている。しかし、この酸化還元反応で重要な役割を果たす遷移金属は原子量が大きい。このため、重量当たりのエネルギー密度には理論的な限界がある。
一方、次世代二次電池として基礎研究が進められているリチウム空気電池の場合、正極材料は空気中の酸素を使う。このため重量当たりのエネルギー密度は極めて高く、究極の二次電池ともいわれている。しかし放電反応時に発生する過酸化リチウムなどによる正極の閉塞や、酸素を取り入れるための開放構造に由来する水分や二酸化炭素の混入による電極や電解液の劣化など、解決すべき課題は山積している。
これらに対して、今回発表された新原理の二次電池システムは、正極反応として固体内の酸化物イオン(O2−)と過酸化物イオン(O22−)の間の酸化還元反応を用いる点で異なる。具体的には、酸化リチウム(Li2O)と過酸化リチウム(Li2O2)の間で正極反応を行い、負極反応としては金属リチウムの酸化還元反応を用いる。この条件での理論エネルギー密度は2570Wh/kgであり、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を用いる一般的なリチウムイオン電池の370Wh/kgの約7倍に達する。リチウム空気電池の理論エネルギー密度である3460Wh/kgは下回るものの、開放構造が原因となる課題を多数抱えるリチウム空気電池と違って、一般的なリチウムイオン電池と同じ密閉型構造を取ることができる。ただし電圧は2.87Vで、これはリチウムイオン電池の3.5〜4Vよりも低い。
動作実験ではリチウムイオン電池とほぼ同じエネルギー密度に
このような理論的背景を基に、水野氏のグループと日本触媒は、酸化物イオンと過酸化物イオンの酸化還元反応を用いる二次電池の動作実験を行った。
充電と放電を繰り返し行う二次電池として利用するには、正極内での酸化リチウムと過酸化リチウムの間での酸化還元反応が可逆的に進行できる必要がある。そのために、試料を粉砕/混合するのに用いる遊星ボールミル装置を使って、酸化リチウムの結晶構造内にコバルトを添加した物質を正極活物質として組み込んだ。すると、充電時には正極中に過酸化物が生成し、放電時には正極中の過酸化物が消失し、充放電を繰り返すと過酸化物の生成と消失も繰り返し起こることを過酸化物の定量分析によって確認した。この可逆的な充放電を行っている際には、酸素や二酸化炭素といった副反応生成物も検出されなかった。
動作実験に用いた、酸化リチウムの結晶構造内にコバルトを添加した物質を組み込んだ正極材料は、重量当たりの容量で200mAh/gの充放電が可能だったという。これは、リチウムイオン電池の正極材料であるコバルト酸リチウムの約1.5倍に相当する。ただし電圧が低いこともあって、エネルギー密度は現行のリチウムイオン電池とほぼ同じレベルにとどまっている。
コバルトを用いる点では、コバルト酸リチウムを正極材料に使うリチウムイオン電池と同じだ。しかし、今回の新原理の二次電池はコバルトの使用料が少なくて済む。このため、高価なコバルトを使うことによる原材料費の上昇は最低限に抑えられるという。
今回の動作実験はあくまで理論を実証するためのもの。今後は、電極中の過酸化物イオンの状態やコバルトの役割を明らかにし、現行のリチウムイオン電池の7倍という新原理の二次電池の理論容量に近づけることを目指すとしている。
Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.
関連記事
- 車載リチウムイオン電池市場が急拡大も、ハイブリッド車はニッケル水素が主力
矢野経済研究所は、2012〜2020年の車載電池の市場調査結果を発表した。同調査によると、2020年の車載電池市場は、金額ベースで2012年比約8倍となる1兆4949億5500万円、容量ベースで同約19倍となる5万9543MWhに成長すると予測している。 - 化学電池と物理電池を超える“量子電池”、「バテナイス」とは
半導体テスター用プローブカードの大手企業として知られる日本マイクロニクスが、新構造の二次電池「バテナイス」の実用化に向けて開発を加速している。バテナイスは、リチウムイオン電池などの化学電池や、電気二重層キャパシタなどの物理電池を上回る特性を持つ“量子電池”だという。 - リチウムイオン電池の容量が従来比3倍に、積水化学がゲルタイプ電解質を新開発
積水化学工業は、一般的なリチウムイオン電池に用いられている電解液と同等クラスのリチウムイオン電導性を持つゲルタイプ電解質などを用いて、リチウムイオン電池の容量を従来比で3倍まで高めると同時に、生産速度も同10倍に向上できる技術を開発した。2014年夏をめどにサンプル提供を始め、2015年度には量産販売したい考え。 - トヨタがEV開発に注力しない理由とは? 全固体電池が走行距離の限界を打ち破る
トヨタ自動車は、実用的な走行距離を持つ電気自動車(EV)を開発するために、現行のリチウムイオン電池よりも高いエネルギー密度を持つ「革新型電池」の研究開発を進めている。「エコプロダクツ2012」では、革新型電池の1つである全固体電池の開発成果を披露した。 - ガラスと樹脂で作った電池、リチウムを超えるのか
イーメックスはリチウムイオン二次電池と似た新型電池を開発した。「高分子・ガラス電池」と呼ぶ。20年以上利用でき、低コスト化が可能だ。さらに充電時間が数分と短い。これはリチウムイオン二次電池では実現が困難な優れた性質だ。どのようにして新電池を実現したのだろうか。