リチウム空気電池の充放電の寿命を決める要因を発見―ドローンや電気自動車、家庭用蓄電器への実用化に期待：物質・材料研究機構ほか
(2020年12月2日発表)
（国）物質・材料研究機構（NIMS）とソフトバンク（株）は12月2日、“究極の二次電池”として期待の高い「リチウム空気電池」で、充放電の回数の寿命を伸ばすための主要な要因を特定できたと発表した。リチウム空気電池はエネルギー密度が高く、軽量化にも繋がることから、ドローンや電気自動車、携帯用電池などに幅広い実用化が期待されている。
リチウムイオン電池は、スマートフォンやデジタルカメラ、ノートパソコンなどの電源に実用化されており、電子機器の小型化、軽量化と共に、省エネ化にも役立ち生活を大きく変化させてきた。
しかし現状では1kg当たりのエネルギー容量（理論エネルギー密度）が伸び悩み、電気自動車等の航続距離も限界に近づいている。航続距離を伸ばそうとすると電池重量が増え、価格が高くなるというジレンマがあった。
そこでリチウムイオン電池に比べ5倍近いエネルギー密度を持つといわれる「リチウム空気電池」に期待が集まった。正極に空気中の酸素を利用することによって、体積がかさ張る正極活物質を使わずに済み、小型化、軽量化に大きな利点があるためだ。
だが充放電をどれだけ繰り返せるかのサイクル寿命が、現状ではまだ数十回と少なく、実用化できないでいる。さらに電池内部では、電解液やカーボン電極などの分解反応に由来する副生成物が発生するなど、反応は非常に複雑になっている。特に正極の反応物質である酸素の物質収支を知ることは、電池反応の効率や副反応の詳細を理解するためには欠かせない。
研究グループは電池内部の反応時に使う酸素や、発生する気体、揮発性物質を正確に定量的に調べる新しい方法を開発し、複雑な反応を精密に評価する方法を確立した。
この手法を、NIMS-SoftBank先端技術開発センターで開発したリチウム空気電池に対して適用した。その結果、高エネルギー密度なリチウム空気電池では、電池のサイクル寿命は「電解液量」と「面積容量」の比で定義される変数（パラメーター）によって支配されることを初めて明らかにできた。
具体的には、電解液量を一定のまま面積容量を減らすとサイクル寿命が伸びる。反面、面積容量が減ると電池のエネルギー密度は下がってしまう。このため実用的なリチウム空気電池の開発は、「電気液量と面積容量の比」を意識しつつ電池設計や材料評価をすることが重要であるとしている。
今後は電池内部の副反応抑制手法を確立することで実用化を急ぐ。
