2021-08-10

スピードと吸収が新型充電電池の最適化のカギ

本研究のポイント:

  • 世界中で増大するエネルギー需要を持続可能な方法で満たすためには、高品質の二次電池(充電して繰り返し使えるバッテリー)が必要。
  • リチウム硫黄電池は、他の二次電池よりも多くのエネルギーを蓄えることができるため、次世代のエネルギー源として有力視されている。
  • しかし、リチウム硫黄電池を普及させるためには、製造過程で見られる溶解の問題を解決する必要がある。
  • 研究チームは、製造過程を加速させて溶解が発生する可能性を抑えると同時に、不要な生成物を吸収するハイブリッド材料を考案した。
  • その結果、長寿命で充電時間が短く、再充電が必要となるまでの時間が長いリチウム硫黄電池が完成した。

プレスリリース:

二次電池(充電して繰り返し使えるバッテリー)は、増大するエネルギー需要を持続可能な方法で満たすために必要なものですが、すべての二次電池が同じというわけではありません。沖縄科学技術大学院大学(OIST)のエネルギー材料と表面科学ユニットの研究チームは、そのようなエネルギー源の有力候補であるリチウム硫黄電池の最適化に取り組みました。同研究成果は、Nature Communicationsに掲載されました。

本論文の筆頭著者であるフイ・ジャン博士は、次のように説明しています。「リチウム硫黄電池は、すでに市販されているリチウムイオン電池よりも多くのエネルギーを蓄えることができます。これを数値化すると、リチウムイオン電池を搭載した電気自動車の場合、再充電が必要になるまでの平均走行可能距離は300キロメートルです。リチウム硫黄電池のエネルギー貯蔵量を改善できれば、この値を500キロメートルまで伸ばすことができるでしょう。」

リチウム硫黄電池の普及・商業化を妨げてきた最大の課題は、中間生成物が溶解しやすい点にあります。電池を製造する際には、硫黄がリチウムと反応して生成物ができますが、これには2つの段階があります。第1段階では、多硫化リチウムが生成されます。この多硫化リチウムはポリスルフィドに溶解しやすい性質を持っており、ポリスルフィドは、電池の性能を低下させるため、寿命が大幅に短くなってしまいます。電池を最適化するためには、Li2S2またはLi2S)に可能な限り素早く変化させる必要があります。そこで研究チームは、不要なポリスルフィドを吸収する二酸化チタン(TiO2)と製造過程を加速させる窒化チタン(TiN)という2種類の材料を使用しました。

本論文の著者の一人である大野勝也博士は次のように説明しています。「この2つの材料を用いて、低コストで利用しやすいハイブリッド材料を開発したところ、電池の性能を向上させる優れた効果があることがわかりました。」

研究チームは電池を最適化するために、反応過程を加速させると同時に不要なポリスルフィドを吸収できる構造を考案した。カーボンナノチューブ(CNT)のフレームワークを使用し、その上から窒化チタンと二酸化チタン(TiN-TiO2)の層でコーティングした。窒化チタンは、製造過程で発生したポリスルフィドを吸収し、二酸化チタンは、多硫化リチウムから最終生成物である硫化リチウム(Li2S2またはLi2S)への変化を加速させる役割を果たした。本画像は、Nature Communications誌に掲載された画像を加工したものです。

これらの材料は非常に繊細なものであるため、研究チームは、電池の効率を最大限に高めるためにナノメートル単位で調整を行いました。その結果、10ナノメートルの窒化チタンと5ナノメートルの二酸化チタンを使用した構造が最も効率的であることを突き止めました。ポリスルフィドの吸収と、製造過程全体の加速化により、電池の性能が大幅に向上しました。これにより、充電時間が短縮された他、再充電が必要となるまでの時間が長くなり、電池そのもの寿命も長くなりました。これを立証するために、研究チームは充放電を200サイクル繰り返し、その効率がほとんど変化しないことを確認しました。

本論文の責任著者であり、OISTのエネルギー材料と表面科学ユニットを率いるヤビン・チー教授は、次のように述べています。「電池の性能を向上させるために、材料をさらに最適化していくつもりです。リチウム硫黄電池の研究には多くの優秀な人材が携わっており、本当に有望な技術です。」

本研究は、OIST技術開発イノベーションセンターのプルーフ・オブ・コンセプトプログラムの支援を受けて行われました。

発表論文詳細:

論文タイトル: Long-life lithium-sulfur batteries with high areal capacity based on coaxial CNTs@TiN-TiO2 sponge
著者: Hui Zhang, Luis K. Ono, Guoqing Tong, Yuqiang Liu, Yabing Qi
発表先: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-021-24976-y
発表日: 2021年8月6日

(ディッキー・ルシー)

広報や取材に関して:media@oist.jp