東芝が5V級高電位正極材料を開発、SCiBの弱点「電圧が低い」の克服へ：組み込み開発ニュース（1/2 ページ）

東芝は、コバルトフリーな5V級高電位正極材料を開発するとともに、同社のリチウムイオン電池「SCiB」に用いている酸化物負極と組み合わせたリチウムイオン電池を開発したと発表した。

[朴尚洙，MONOist]

　東芝は2023年11月28日、コバルトフリーな5V級高電位正極材料を開発するとともに、同社のリチウムイオン電池「SCiB」に用いている酸化物負極と組み合わせたリチウムイオン電池を開発したと発表した。新たなリチウムイオン電池の試作品は平均作動電圧3.15Vを達成するとともに、5分間で80％以上の急速充電、5C以上の高出力（1Cは電池の全容量を1時間で充放電できる電流量）、60℃以上という高温下で充放電サイクル100回後の容量維持率99.2％といった高い性能を確認できた。まずは、小型で高電圧が求められる電動工具や産業機器向けで2028年の実用化を目指し、将来的には電動商用車など高出力が必要な車載用途への展開に向けた大型化も想定して研究開発進めていく方針である。

東芝の5V級高電位正極材料を用いて試作した電池の外観 出所：東芝

　開発した5V級高電位正極材料は、高価なコバルトを用いないコバルトフリーであるとともにニッケルの含有量も少ないスピネル型構造の高電位正極であるLNMO（ニッケルマンガン酸化物）がベースになっている。LNMOの作動電位は4.7Vで、これまでリチウムイオン電池の正極材料に用いられてきたLCO（コバルト酸リチウム）や、ニッケル、コバルト、マンガンから成る三元系材料、安全性やリサイクル性の高さから近年採用が広がっているLFP（リン酸鉄リチウム）と比べて作動電位が約1V高いこともあり、次世代のリチウムイオン電池正極材料として注目を集めている。

5V級高電位正極材料であるLNMOと他正極材料との比較［クリックで拡大］ 出所：東芝

　しかしLNMOは、作動電位の高さゆえに電解液が酸化分解してガス化するため、電池が著しく膨れたり寿命が短くなったりする課題があった。このガス発生の抑制に向けて、電解液の高濃度化や、フッ素化溶媒、イオン液体の適用など、電解液の酸化耐性を向上する試みが多く報告されてきたものの、リチウムイオンの良好な伝導性を確保しづらいというトレードオフがあるとともに、他性能の低下やコスト増などもあり実用化のめどが立っていないのが実情だ。

5V級高電位正極材料を用いたリチウムイオン電池の課題［クリックで拡大］ 出所：東芝

　今回東芝は、高電位正極であるLNMOを用いた場合に電解液が酸化分解してガス化する詳細なメカニズムをつきとめた。そのメカニズムとしてはまず、高電位正極の表面で電解液が分解されてガスが発生し、その次に正極材料に含まれる金属が溶出して、溶出した金属が負極表面でガス発生を促進していることが分かった。

開発した技術のポイント。正極の粒子表面を改質する技術と、負極表面における溶出金属の無害化する技術を開発した［クリックで拡大］ 出所：東芝