二次電池材料グループ

環境調和型社会の実現に向けて蓄電池の一層の高性能化が求められています。それには今までにない電池材料と斬新な発想に基づく電池システムが必要です。二次電池材料グループでは、リチウム/ナトリウム/マグネシウム/デュアルイオン電池やリチウム空気電池などの次世代エネルギー貯蔵デバイスに向けた新規材料開発をはじめ、充放電特性の改善や電極反応の基礎的理解を目指した研究を行っています。

リチウムイオン電池はスマートフォンや電気自動車の電池電源として社会に幅広く使われていますが、さらなるエネルギー密度の向上には新しい電極材料が必要です。私たちは高容量シリコン負極に着目し、電極膨張を抑えつつ安全性を確保したリチウムイオン電池の開発に取り組んでいます。
負極に合わせて正極容量の向上も必要になってきます。私たちは正極格子を構成する酸素原子にもレドックス反応を担保させることで200mAh/gを超える比容量を発揮する正極活物質を開発し、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池への応用を目指しています。

リチウム金属は、非常に高い容量密度を有する二次電池負極材料です。しかしながら、充放電反応に伴い、「デンドライト」と呼ばれる不可逆的な形状に遷移し、電池の容量低下、ひいては安全性状の懸念となることが、実用化を阻んでいます。リチウム金属が「デンドライト」を形成するメカニズムを、系内の物質輸送、電極表面化学、電極の金属学的物性などの観点から明らかにするために研究を行っています。

リチウム金属と大気酸素を活物質に用いるリチウム空気電池はきわめてエネルギー密度が高いため、他の電池系と比べてとびぬけて軽くて大容量な蓄電池の実現が可能です。その反面、出力特性や充放電サイクル特性に乏しいという課題を抱えています。スムーズな酸素供給やイオン輸送を可能とする電池材料開発を通じて、リチウム空気電池の出力やサイクル特性を実用レベルまで引き上げる研究を進めています。

これまでにない新規電池系として、出力と安全性が極めて高いデュアルイオン電池、および、超低コストで簡便に作成できる金属-金属電池の研究開発も進めています。
デュアルイオン電池はカチオンとアニオンの両方に電極挿入脱離をさせて放電・充電する電池です。わずか数分で放電・充電させることができる高い出力特性を発揮しつつ、スーパーキャパシタを超えるエネルギー密度を実現できます。サイクル安定性に加えて高エネルギー密度と高出力特性が確保されたデュアルイオン電池の技術開発に取り組んでいます。
異なる金属どうしを単に重ねるだけでも電池は簡単に構成させることができます。例えば銅とリチウム箔 (Cu/Li) を重ねた3.3V電池や、銅と亜鉛箔 (Cu/Zn) の1.0V電池系をつくることができます。これら金属電極の溶解・析出機構やイオン・電解液相互作用を調べることで、超低コストで充放電可能な金属-金属電池の創出を目指しています。

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