物質・材料研究機構(NIMS)の研究チームは、空気極材料にカーボン・ナノ・チューブ(CNT)を使った高容量のLi空気2次電池で、従来のLiイオン2次電池の15倍に相当する蓄電容量を実現した(ニュースリリース)。

CNT空気極
(図:NIMS)

 Liイオン2次電池は蓄電容量に相当するエネルギー密度やコスト面でほぼ限界に達しており、この壁を突破する技術の1つとしてLi空気2次電池は期待されている。発表によると、Li空気2次電池に用いる正極(空気極)のカーボン材料は、できるだけ多孔質なもの(空孔体積が多いもの)が望ましいと考えられている。一方で、負極(Li金属)から溶け出したLiと正極の酸素が反応して析出する過酸化リチウム(Li2O2)は、絶縁体であるためごく薄くしか析出することができず、これが蓄電容量を制限していると考えられてきた。つまり、Li2O2を厚くすると電気が通らなくなって電気化学反応が停止し、析出できたとしても空孔体積を埋め尽くした時点で酸素が通らなくなり、やはり反応が停止することになる。これらの理由から、現実のセルで大きな蓄電容量を得るのは難しいとされてきた。

Li空気2次2次電池の概念図
(図:NIMS)
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 今回の研究では、空気極材料に不織布状のCNTシートを用いたところ、Li2O2の析出は制限されるどころか、CNTシートを押し広げて大量に析出し続けることを発見した。CNTシートの厚さは200μmから600μmまで膨らみ、充電(Li2O2の分解)を行うと析出物が消えて、元の厚さに戻る。

CNT空気極の概念図(左)と巨大容量の放電および充電特性(右)
(図:NIMS)
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