1Wh級の積層型リチウム空気電池を開発

リチウム空気電池は、理論上の重量エネルギー密度が現在主流のリチウムイオン電池の数倍に達する、「究極の二次電池」として注目されています。NIMSの研究グループは、2021年に500Wh/kg級という、現行のリチウムイオン電池のエネルギー密度の2倍以上の重量エネルギー密度を持つリチウム空気電池を開発しました。しかし、実用化に向けては、高出力性能の確保やサイクル寿命の向上など、複数の技術的課題を克服する必要があります。加えて、これまでに報告されているリチウム空気電池の電力量の多くは0.01Wh以下にとどまっており、実用的な電池としての研究開発を進めるためには、電池セルの大型化に関する検討が不可欠となっています。

NIMSと東洋炭素による共同研究グループは、リチウム空気電池の実用化に向けて、「高出力」「長寿命」「大型化」を同時に実現するカーボン電極の開発に成功しました。本研究では、メソスケール構造が制御された多孔質カーボン材料「クノーベル®」に対し、NIMSがこれまでに確立してきた自立膜化技術を適用。これにより、細孔構造が階層的に制御されたカーボン電極の作製が可能となり、リチウム空気電池の高出力運転を実現しました。さらに、カーボン電極の結晶性を高めることで耐久性が向上し、電池の長寿命化にも成功しました。また、10cm角以上の大面積電極の作製にも対応可能な製造プロセスを確立し、大型セルへの応用も視野に入れた技術基盤を確立しました。これらの成果を統合し、4cm角サイズの電極を用いた1Wh級の積層型リチウム空気電池を試作し、安定した動作を確認しました。

本研究で開発された高性能カーボン電極は、リチウム空気電池の実用化に向けた鍵となる「高出力・長寿命・大型化」という三つの課題を同時に克服する成果です。リチウム空気電池は、軽量かつ大容量であることから、電動航空機や電気自動車など、社会の電動化を進めていくうえで、不可欠な分野での活用が期待されています。しかし、これまでその実用化は技術的課題により限定されていました。本研究により、電池セルの大面積化が可能となり、産業レベルでの応用が現実的になったことは、リチウム空気電池の実用化を大きく進展させる成果といえます。

• 本研究は、NIMS エネルギー環境材料研究センター 電気化学スマートラボチームの松田 翔一 チームリーダー、DUTTA Arghya NIMS特別研究員、亀田 隆 NIMSエンジニア、東洋炭素 近藤照久記念東洋炭素総合開発センター 森下 隆広 エグゼクティブフェローらを中心とした共同研究チームによって行われました。
• 本研究成果は、2025年9月18日にCell Reports Physical Scienceのオンライン版に掲載されました。