リチウム空気電池の実用化を阻む、充電電圧上昇の原因を特定

2020.08.12

国立研究開発法人　物質・材料研究機構 (NIMS)
国立研究開発法人　科学技術振興機構 (JST)

NIMSは、リチウム空気電池の充電電圧が、放電時に生成される過酸化リチウムの「結晶性」に強く依存し、過酸化リチウムの結晶性が高いほど充電電圧も高くなることを初めて明らかにしました。

概要

NIMSは、リチウム空気電池の充電電圧が、放電時に生成される過酸化リチウム (Li₂O₂) の「結晶性」に強く依存し、過酸化リチウムの結晶性が高いほど充電電圧も高くなることを初めて明らかにしました。充電電圧の上昇はリチウム空気電池の実用化を阻んでいる大きな課題ですが、今回の成果は充電電圧を抑えるための重要な指針となるものです。
リチウム空気電池は、圧倒的に大きな理論エネルギー密度を有することから、ドローンやIoT機器、さらには電気自動車や家庭用蓄電システムなど、様々な応用が期待されています。リチウム空気電池の最大の課題は、充電電圧 (過電圧) が上昇することによって副反応が誘発されサイクル寿命が劣化することです。しかし、充電電圧上昇の原因についてはほとんど分かっていませんでした。
今回、研究チームは、放電生成物である過酸化リチウム (Li₂O₂) の結晶性に着目し、結晶構造の乱れが大きい (結晶性が低い) 方がより低い電圧で充電 (分解) できるということを初めて明らかにしました。従来、過酸化リチウムの生成 (放電反応) には、①カーボン電極上での反応と、②電解液を介した反応 (不均化反応) の2種類の経路があることが知られています。今回の研究によって、①によるLi₂O₂は3.5 V以下で充電 (分解) できるのに対し、②の場合は4 V以上の電圧が必要であること、さらには①で生成されたLi₂O₂の方が、結晶性が低いことが判明しました。この結果は、充電電圧の上昇が反応経路②による高結晶性のLi₂O₂に由来しており、その生成を抑えることで充電電圧を下げることが出来ることを示しています。
今後はこの成果をもとに、低結晶性の過酸化リチウム (Li₂O₂) を優先的に生成する手段を確立することで、リチウム空気電池のサイクル寿命の大幅増加を図り、NIMS-SoftBank先端技術開発センターにおけるリチウム空気電池の実用化研究の加速につなげます。
本研究は、主に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点技術領域「次世代蓄電池」(ALCA-SPRING)の一環として、NIMSエネルギー・環境材料研究拠点Arghya DUTTA (オルコ・ドット) ポスドク研究員、NIMS-SoftBank先端技術開発センター久保佳実アドバイザー (ALCA-SPRING次々世代電池チーム金属-空気電池サブチームリーダー (2020年3月まで) ) 、野村晃敬主任研究員、先端材料解析研究拠点伊藤仁彦主幹研究員らの研究チームによって行われました。本研究成果は中央ヨーロッパ時間2020年8月11日に、Advanced Science誌にオンライン掲載されます。

「プレスリリース中の図 : リチウム空気電池の放電過程 (Li2O2生成) の模式図」の画像

プレスリリース中の図 : リチウム空気電池の放電過程 (Li₂O₂生成) の模式図

掲載論文

題目 : Quantitative Delineation of the Low Energy Decomposition Pathway for Lithium Peroxide in Lithium-Oxygen Battery
著者 : Arghya Dutta, Kimihiko Ito, Akihiro Nomura and Yoshimi Kubo
雑誌 : Advanced Science
掲載日時 : 中央ヨーロッパ時間2020年8月11日
DOI : 10.1002/advs.202001660

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アドバイザー
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TEL: 080-1292-2442
E-Mail: KUBO.Yoshimi=nims.go.jp
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(報道・広報に関すること): 国立研究開発法人物質・材料研究機構
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