電気自動車のさらなる利便性向上や分散電源の普及に向けて、蓄電池の高性能化や低コスト化が期待されている。しかし、現在の広く利用されているリチウムイオン二次電池の性能は、理論上の限界に近づきつつある。

そこでリチウムイオン二次電池より高容量な次世代の電池として期待されているのが、リチウム空気電池だ。理論上あらゆる二次電池の中で最も高いエネルギー密度を有するとされている。チウムイオン電池とは異なり、正極にコバルト系やマンガン系の化合物を用いることなく、リチウム金属の負極と電解液、正極の空気極だけで作動するため、高容量化だけでなくコスト面でのメリットも期待できる。

こうした背景から研究開発の進展が期待されているリチウム空気電池。物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点 ナノ材料科学環境拠点 リチウム空気電池特別推進チームの久保佳実チームリーダー、野村晃敬研究員らの研究チームは、このほど従来のリチウムイオン電池の15倍に相当する高い蓄電容量を持つリチウム空気電池の開発に成功した。

正極にカーボンナノチューブを

リチウム空気電池は充放電両方の化学反応に対応した電極材料や触媒が開発途上にあり、国内外でさまざまな金属や炭素系の材料を用いた開発競争が進んでいる。今回研究チームが開発した電池では、空気極の材料にカーボンナノチューブ（CNT）を採用したのが特徴だ。

リチウム空気電池の放電反応は、負極からリチウムが溶け出し、正極で酸素と反応して過酸化リチウムが析出するというものである。この過酸化リチウムの析出量が蓄電容量となる。そのため、正極のカーボン材料は出来る限り空孔体積が多く、多孔質なものが望ましいと考えられる。

リチウム空気電池の概念図 出典：JST

しかし過酸化リチウムは絶縁体であるため、極薄くしか析出することが出来ず、それが蓄電容量を制限していると考えられてきた。過酸化リチウムの層が厚くなると電気が通らなくなり、電気化学反応が停止するのではないかということだ。また、仮に過酸化リチウムが析出できたとしても、それが空孔体積を埋め尽くした時点で酸素が通らなくなり、反応は停止することになる。そのため、現実のセルで大きな蓄電容量を得ることは容易ではないとされてきた。

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