東北大学、レアメタルフリーの正極材を用いた新型リチウムイオン電池を開発

東北大学は、レアメタルフリーの有機正極材料を用いた新タイプの高エネルギー密度型リチウムイオン電池の開発に成功したと発表した。本研究成果は、安価・高容量・高出力の大型リチウムイオン電池のイノベーションに新しい道筋を拓くもので、電気自動車用の革新的二次電池としての利用が期待される。

本研究開発では、既存型リチウムイオン電池部材の電極・電解質を使用せず、安価な有機分子とイオン液体を用いた新しい設計概念の高エネルギー貯蔵密度型二次電池を開発した。これはリチウムイオンを用いて有機分子に極めて大きな電力エネルギーを可逆的に貯蔵させることが出来る革新的電池技術の開発であり、全固体型リチウムイオン電池の高エネルギー密度正極に有機材料の利用を可能するものである。実用的サイズで試作した全固体電池は170 回以上の充放電サイクルで可能で、有機分子を活物質として用いた研究例では世界最高のサイクル特性を実現した。さらに、全固体電池セルの蓄電エネルギー密度200Wh/kgは市販リチウムイオン電池性能を上回った。

電気化学活性な有機分子ファミリーは、コバルト、ニッケル、マンガンなどのレアメタルを含まない安価なリチウム電池電極材料で、また、多電子反応に起因する大きな電気化学当量により、現状の金属酸化物系活物質より大きい電力エネルギーを貯蔵できる可能性を有している。そのため、電気自動車用およびスマートグリッド用の大型二次電池材料への応用が期待されている。しかし、実用的な二次電池に応用できなかった理由のひとつとして、充放電サイクルを行う際に分子性活物質が溶出することが挙げられていた。本研究開発では、これらの課題解決を目的に全固体型の電池構造を設計し、準固体電解質を適用することにより有機活物質の溶出抑制に成功し、可溶性有機分子も二次電池の電極材料として利用できることを世界で初めて実証した。

ハイブリッド車・電気自動車等のエコカーの世界市場が急速に拡大する中、安価・高容量・高出力の大型二次電池はグリーンイノベーションの最重要課題となっている。本成果は、同大学多元物質科学研究所の本間格教授らが内閣府・最先端研究開発支援プログラム「高性能蓄電デバイス創製に向けた革新的基盤研究」により行われた研究成果として得たもので、英国ネイチャー系オンライン科学誌「Scientific Reports」に掲載される。