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リチウム空気電池を長寿命化するカーボン新素材を発見 従来のカーボン正極の劣化をグラフェンメソスポンジで克服

【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所/多元物質科学研究所
教授 西原洋知
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

  • リチウム空気電池1実用化へ向けた課題であるカーボン正極の劣化を克服する素材を発見しました。
  • カーボン新素材「グラフェンメソスポンジ(GMS)」を用い、6700 mAh/gに達する高容量と、既存のカーボン正極材料に対し6倍以上の充放電サイクル寿命を達成しました。
  • GMS の高特性を産むトポロジー欠陥構造を理論と実験の両輪で解明しました。

【概要】

リチウム空気電池は、現在のリチウムイオン電池の数倍以上のエネルギー密度の達成が見込まれる次世代蓄電池ですが、劣化が激しく充放電を繰り返し行うことができないことが大きな課題でした。今回の研究で、東北大学、信州大学、岡山大学、大阪大学、スロバキア科学アカデミー、University of Natural Resources and Life Sciences(オーストリア)、上海科技大学(中国)の学際的研究チームは、リチウム空気電池を長寿命化させるためのカーボン新素材の正極を見出しました。

リチウム空気電池の正極にはカーボン材料、負極にはリチウム金属が使用され、正極への過酸化リチウムの析出・分解により充放電が行われます。これまでにカーボン正極材料として、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、活性炭等の多種多様な材料が検討されてきましたが、いずれの材料もすぐに劣化するため、繰り返し充放電ができないことが大きな課題でした。今回の研究では、東北大が世界に先駆けて開発したカーボン新素材「グラフェンメソスポンジ(GMS)注2」を正極に使うことで、これまでに報告されているカーボン正極材料の容量を大きく上回る6700 mAh/gを達成、なおかつ従来のカーボン正極に対し6倍以上の充放電サイクル寿命を達成しました。さらに、GMSのナノ構造を先端の分析手法、数学的解析、理論計算を用いて緻密に解析することで、高性能と高耐久性を両立するための材料設計指針を明らかにしました。

将来、長期的にはリチウム空気電池の実用化につながると予想されます。

本研究成果は2023年4月10日(現地時間)、科学誌Advanced Scienceに掲載されました。

図1 カーボン材料の劣化の原因となるエッジサイト。

【用語解説】

注1.リチウム空気電池
負極がリチウム金属、正極が酸素(O2)の二次電池を、本項では単に「リチウム空気電池」と表記する。正極では、O2が電解液中のLi+と結びつき、過酸化リチウム(Li2O2)として析出する反応(放電時)と、Li2O2が分解してO2とLi+に戻る反応(充電時)が起こる。Li2O2の析出場所が多いほど高容量になるため、正極には多孔性のカーボン材料が利用されている。

注2.グラフェンメソスポンジ(GMS)
ナノ細孔を取り囲む細孔壁がグラフェンシート約1層で形成される多孔性のカーボン材料。

詳細(プレスリリース本文)PDF

問い合わせ先

(研究に関すること)
東北大学材料科学高等研究所
(多元物質科学研究所 兼務)
教授 西原洋知
TEL: 022-217-5627
E-mail: hirotomo.nishihara.b1*tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)

(報道に関すること)
東北大学材料科学高等研究所
広報戦略室
TEL: 022-217-6146
E-mail: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)

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