MITの研究チームは、次世代電池の寿命とエネルギー密度を向上させる可能性のあるリチウム金属負極を開発した。
MITなどのエンジニアによる新たな研究は、電池の電極の一つである負極に純リチウム金属を用いるという長年の目標に基づき、単位重量当たりの蓄電量が多く、より長持ちする電池の実現につながる可能性がある。
新しい電極の構想は、核科学・工学のバテル・エナジー・アライアンス教授であり、材料科学・工学の教授でもあるJu Liの研究室から生まれた。この研究は本日、学術誌Natureに掲載された論文で説明されている。論文はMITのYuming ChenとZiqiang Wangが共同執筆し、MITのほか、香港、フロリダ、テキサスの研究者11人も参加した。
この設計は、電池の2つの電極の間に通常使われる液体やポリマーゲルの電解質を不要にする、安全な全固体電池の開発構想の一部である。電解質は、電池の充放電サイクル中にリチウムイオンが往復するのを可能にする。全固体型は、揮発性が高く、リチウム電池の爆発の原因となってきた液体電解質よりも安全である可能性がある。
「リチウム金属電極と固体電解質を用いた全固体電池については、これまで多くの研究が行われてきました」とLiは述べる。しかし、こうした取り組みはいくつもの課題に直面してきた。
最大の課題の一つは、電池を充電すると原子がリチウム金属の内部に蓄積し、金属が膨張することだ。電池の使用に伴い、放電時には金属が再び収縮する。息を吸って吐く動きにも似た、金属の寸法のこうした繰り返しの変化によって、固体同士の接触を保つのが難しくなり、固体電解質に亀裂が入ったり、剥離したりしやすくなる。
もう一つの課題は、提案されている固体電解質のどれも、反応性の高いリチウム金属と接触した状態で化学的に完全に安定しているわけではなく、時間の経過とともに劣化しやすいことだ。
こうした課題を克服する試みの大半は、リチウム金属に対して完全に安定した固体電解質材料の設計に重点を置いてきたが、それは難しいことが分かった。そこでLiと研究チームは、従来とは異なる設計を採用し、さらに2種類の固体、「混合イオン・電子伝導体（MIEC）」と「電子・リチウムイオン絶縁体（ELI）」を利用した。これらはリチウム金属と接触しても化学的に完全に安定している。
研究者らは、六角形のMIECチューブを蜂の巣状に並べた三次元ナノ構造を開発した。チューブには固体リチウム金属を一部充填して電池の一方の電極を形成する一方、それぞれの内部には余分な空間を残している。充電時にリチウムが膨張すると、結晶構造を保ったまま液体のように動き、チューブ内部の空間へ流れ込む。この流れは蜂の巣構造の中に完全に閉じ込められ、充電による膨張の圧力を逃がすが、電極の外寸や電極と電解質との境界は変化しない。もう一つの材料であるELIは、MIECの壁と固体電解質層をつなぐ重要な機械的結合材として機能する。
「蜂の巣のような三次元電極を実現する構造を設計しました」とLiは述べる。この構造の各チューブにある空隙によって、リチウムはチューブ内へ「逆向きにじわじわと入り込み」、「その結果、固体電解質を割るような応力が蓄積しません」。チューブ内のリチウムは膨張・収縮しながら出入りし、自動車エンジンのシリンダー内を動くピストンのように振る舞う。こうした構造はナノスケールで作られており（チューブの直径は約100～300ナノメートル、高さは数十マイクロメートル）、その結果は「リチウム金属を作動流体とする、100億個のピストンを備えたエンジンのようなものです」とLiは語る。
蜂の巣状構造の壁は化学的に安定したMIECでできているため、リチウムは材料との電気的接触を失うことがないとLiは述べる。そのため、固体電池全体は使用サイクルを経ても、機械的にも化学的にも安定した状態を保てる。研究チームは実験でこの構想を実証し、試験装置を充放電100サイクルにわたって動作させても、固体に亀裂は生じなかった。
Liによると、他の多くの研究グループも全固体電池と呼ぶものに取り組んでいるが、そのシステムの大半は、実際には固体電解質材料に液体電解質を多少混ぜた方が性能が高い。「しかし、私たちの場合は」とLiは語る。「本当にすべて固体です。液体もゲルも一切含まれていません。」
この新しいシステムにより、同じ蓄電容量の従来型リチウムイオン電池と比べて、重量がわずか4分の1の安全な負極が実現する可能性がある。もう一方の電極である正極を軽量化する新たな構想と組み合わせれば、リチウムイオン電池全体の大幅な軽量化につながる可能性がある。例えば研究チームは、携帯電話の重量やサイズを増やすことなく、充電が3日に1度で済むようになることを期待している。
軽量な正極に関する新たな構想の一つは、Liが率いる別の研究チームが先月、学術誌Nature Energyに掲載された論文で発表した。論文はMITの博士研究員Zhi Zhuと大学院生Daiwei Yuが共同執筆した。この材料により、現行の正極に使われる高価で有毒なニッケルとコバルトの使用量を減らせる。新しい正極は、電池の充放電における遷移金属の容量への寄与だけに頼らず、より軽く、より豊富に存在する酸素の酸化還元容量をより多く活用する。ただし、この過程では酸素イオンの移動性が高まり、正極粒子から抜け出す可能性がある。研究者らは、溶融塩を用いた高温表面処理により、マンガンとリチウムを多く含む金属酸化物粒子の表面に保護層を形成し、酸素の損失量を大幅に抑えた。
表面層は非常に薄く、幅400ナノメートルの粒子に対して厚さはわずか5～20ナノメートルだが、下地の材料をしっかり保護する。「ほとんど予防接種のようなものです」とLiは述べ、室温で使用する電池における酸素損失の有害な影響を防ぐと説明する。現行の試作品では、一定重量当たりに蓄えられるエネルギー量が少なくとも50％向上し、充放電サイクルの安定性も大幅に高まっている。
研究チームがこれまでに製作したのは小規模な実験室レベルの装置のみだが、「非常に早く規模を拡大できると考えています」とLiは述べる。必要な材料の大半を占めるマンガンは、他のシステムで使われるニッケルやコバルトより大幅に安価なため、これらの正極は従来型の5分の1のコストで実現できる可能性がある。
研究チームには、MIT、香港理工大学、セントラルフロリダ大学、テキサス大学オースティン校、ニューヨーク州アプトンのブルックヘブン国立研究所の研究者が参加した。この研究は全米科学財団の支援を受けた。
