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KAIST、毛細管現象を利用してリチウム-硫黄電池の電極素材を開発

一度の充電で400km走行可能、充放電100回でも性能低下せず


一度の充電で400km以上の距離を走行し、100回以上の充放電でも性能の低下しない次世代高容量電池の商用化が早まる見通し。

大徳所在のKAIST(シン・ソンチョル総長)は新素材工学科のキム・ドギョン教授研究チームが紙が水を吸収する毛細管現象のように炭素ナノ繊維の間に硫黄をとどめておく方式でリチウム-硫黄基盤の二次電池電極素材を開発したと3月22日に発表した。

最近電気自動車、大容量エネルギー貯蔵装置の需要が増加し、高容量の二次電池開発の必要性が高まっている。だが既存のリチウムイオン電池パックは電気自動車に使用する場合一度の充電で200km程度しか走行できなかった。

これに対しリチウム-硫黄電池は一度の充電で400km以上の距離を走行できるため次世代高容量電池として脚光を浴びている。硫黄は石油を精製する過程で多量に生成され安価なうえリチウムイオン電池に使用される金属酸化物に比べて軽くて無毒性であるという長所をもつ。

しかし硫黄の低い電気伝導度、充放電時の膨脹と収縮、電極の損傷をもたらす中間反応生成物の多硫化リチウムの溶出などの問題がある。こうした問題を解決するために多孔性炭素粉末で硫黄をつつみ電気伝導度を向上させて体積の変化を緩和させ中間反応生成物が溶けるのを防止する硫黄-炭素電極の開発研究が主に進められている。

だが、これは粒子間の無数の接触抵抗が発生し硫黄を包む合成過程が困難なうえ粒子をつなぐために高分子バインダーを使用せねばならない。

研究チームは既存の炭素材料の短所を克服するためにエレクトロスピニング法により大量の1次元形態の炭素ナノ繊維を製造し、固体の硫黄粉末が分散されたスラリー(固体と液体の混合物、微細な固体粒子が水の中に懸濁した懸濁液)に浸したのち乾燥させる方法で接触抵抗を大幅に抑えた硫黄-炭素電極を開発した。

次いで研究チームは走査電子顕微鏡で現象を観察した。その結果固体の硫黄が電気化学反応のうち中間生成物である多硫化リチウムに変わりこれらが炭素ナノ繊維の間に一定の形に固まったのち充放電の過程でその形態を維持し外へ溶け出さないことを確認した。複雑に硫黄を包まなくても硫黄が炭素繊維の間に効果的に閉じ込められるため。

研究チームの研究結果は面積当り硫黄含有量が10mg/㎠(従来の結果は2mg/㎠)を超えており100回以上の充放電にも7mAh/㎠という高い面積当り容量を記録した。これは既存のリチウムイオン電池の面積当り容量である1~3mAh/㎠を凌駕する値で商用化に大きく寄与する見込み。キム・ドギョン教授は「高容量リチウム-硫黄電池の商用化に一歩近づく研究成果。電気自動車だけでなく無人航空機やドローンなどにも幅広く利用できるものと期待される」と話している。

研究成果は国際学術誌『Nano Letters』の2018年度18号に掲載された。






[2018-03-26]

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