産総研、リチウム硫黄電池の充放電の安定化に成功

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複合金属有機構造体膜をイオンふるいセパレーターに用いたリチウム硫黄電池
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産業技術総合研究所は、金属有機構造体を電池のセパレーターに用いて安定な充放電サイクル特性を持つ、リチウム硫黄電池を開発した。

今回の成果は、産総研省エネルギー研究部門の周豪慎首席研究員と、筑波大学大学院システム情報工学研究科構造エネルギー工学専攻博士課程の柏松延氏らとの共同研究。

現在、電気自動車(EV)にはリチウムイオン電池が搭載されているが、より長距離の走行を可能にするために高性能蓄電池の開発が求められている。リチウムイオン電池の正極に硫黄を用いるリチウム硫黄電池は、高い正極容量(理論値では1675mAh/g)を示すため、リチウムイオン電池の発展型の二次電池として、理論的にはリチウムイオン電池の2倍以上の重量エネルギー密度が可能な電池として期待されている。

しかし、放電反応の中間生成物であるリチウム多硫化物は、電解液に容易に溶出し、充放電サイクルが進むのに伴って、溶出した多硫化物イオンが正極と負極の間での酸化還元反応を引き起こし、その繰り返しにより、リチウム硫黄電池の容量が劣化する。

金属有機構造体は従来から気体分子の吸着や分離に多く使われており、その機能は「分子ふるい」とも呼ばれている。今回、この「分子ふるい」はイオン種が分別できる「イオンふるい」としても機能すると想定、金属有機構造体をリチウム硫黄電池のセパレーターとして用いた。セパレーターが溶出した多硫化物イオンが負極側へ移動することを防ぐため、新型のリチウム硫黄電池では、長時間にわたり安定な充放電サイクルが実現した。

電流密度1Cでの1500回のサイクル試験後も900mAh/gという高い充電容量を維持している。

今後、複合金属有機構造体膜をセパレーターとして利用して実用に向け高性能リチウム硫黄電池の開発を目指す。

今回の成果の詳細は、6月27日(英国時間)に英国の学術誌Nature Energyのオンライン版に掲載された。
《レスポンス編集部》

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