大阪府立大とJST、高容量および長寿命を兼ね備えたリチウム－硫黄二次電池用正極の開発に成功
【プレスリリース】発表日:2017年5月24日
高容量および長寿命を兼ね備えたリチウム－硫黄二次電池用正極の開発に成功
～リチウムイオン電池を凌駕する次世代型蓄電池の実現に期待～
■ポイント
○リチウム－硫黄二次電池の正極材料として硫化リチウムベース固溶体、電解質として硫化物固体電解質を組み合わせた正極を開発。
○硫化リチウムベース固溶体を用いた正極は、硫化リチウム単体を用いたときよりも2倍以上大きな容量を示し、可逆に作動。
○2000回充放電を繰り返しても劣化はなく、安定に作動。
公立大学法人 大阪府立大学 大学院 （学長 : 辻 洋）工学研究科 辰巳砂 昌弘 教授、林 晃敏 教授、博士研究員 計 賢らは、JST 戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発・特別重点技術領域「次世代蓄電池」（ALCA-SPRING）の一環として、次世代型蓄電デバイスであるリチウム－硫黄二次電池の実現に向けて、硫化リチウムベースの固溶体（注1）と硫化物固体電解質（注2）を組み合わせた正極を開発し、正極の容量および寿命を飛躍的に改善させることに成功しました。
リチウム－硫黄二次電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して、高い理論エネルギー密度（注3）を有することから、次世代型の蓄電デバイスとして注目されています。しかし電極反応時、中間反応生成物である多硫化リチウムが有機電解液に溶出するため、電池容量が劣化するという問題がありました。さらに、Li＋イオン貯蔵材料の硫化リチウム（Li2S）自身が絶縁体であるため、可逆容量が小さく、従来のリチウムイオン電池を凌駕するリチウム－硫黄二次電池の構築にはLi2S正極材料の高容量化が必要とされています。本研究では、多硫化リチウムの溶出を抜本的に防ぐとともに、Li2Sの高容量化を目的として、硫化物固体電解質と、Li2Sベースの固溶体を組み合わせた正極を開発しました。その正極はLi2Sの理論容量とほぼ同等の1100mAhg-1以上の可逆容量を示し、充放電繰り返し試験では、2000サイクルの間、容量劣化が観測されず、長寿命化を実現しました。リチウム－硫黄二次電池は世界中で研究開発が激化していますが、実用化にはまだ至っていません。本研究で得られた成果は、これまで報告されているLi2S正極の中で最も高い容量と優れたサイクル寿命を達成しており、リチウム－硫黄二次電池実現の可能性を世界に先駆けて示すものです。リチウム－硫黄二次電池の実用化が実現すれば、より高容量かつ長寿命なポータブル電子機器や家庭用分散型電源、非常用電源の開発に大きく貢献することになります。
なお、本研究成果は、「Advanced Sustainable Systems」誌にて、ドイツ時間2017年5月24日に掲載されます。
＜研究の背景＞
リチウムイオン電池は、ポータブル電子機器や電気自動車の電源、家庭用分散型電源、非常用電源として幅広く利用されています。今後、低炭素型社会の実現に向けて、現在のリチウムイオン電池と比較して、高い理論エネルギー密度を有する電池開発が目標とされています。しかしながら蓄電容量は理論限界に達しており、従来のリチウムイオン電池を凌駕する次世代型蓄電池の開発が急務とされています。
二次電池は、正極、負極、電解液から構成されており、電池の理論エネルギー密度は、正極および負極材料によって主に支配されています。電極が軽量のリチウム（Li）と硫黄（S）から構成されているリチウム－硫黄二次電池は、従来のリチウムイオン電池の5倍以上の高い理論エネルギー密度を有することから、世界中で研究開発競争が激化しています。しかしながら克服すべきさまざまな課題があり、実用化には至っていません。
克服すべき課題の1つに、正極のSにLiが挿入する反応（放電）または硫化リチウム（Li2S）からLiが脱離する反応（充電）時に、反応中間体の多硫化リチウム（Li2Sx）が、正極から有機電解液に溶出することによって電池容量が劣化するという問題があります（図1左）。さらに正極のSやLi2Sは絶縁体であるため、これらが有する大きな理論容量を実質的に利用することが困難であり、高容量化が必要とされています。リチウム－硫黄電池の実現に向け、短い電池寿命や小さい容量を解決するために、さまざまな改善方法が検討されていますが、繰り返し充放電が1000サイクル以上で高容量を示すLi2S正極はこれまで報告されていませんでした。
※研究の内容と成果などリリース詳細は添付の関連資料を参照
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