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デジ・ステーション


5分でわかる最新キーワード解説
大容量!「次世代リチウムイオン電池」とは

日々進歩するIT技術は、ともすると取り残されてしまいそうな勢いで進化の速度を高めています。そこでキーマンズネット編集部がお届けするのが「5分でわかる最新キーワード解説」。このコーナーを読めば、最新IT事情がスラスラ読み解けるようになることうけあい。忙しいアナタもサラっと読めてタメになる、そんなコーナーを目指します。今回のテーマは「次世代リチウムイオン電池」。リサイクルが容易で大容量のリチウムイオン電池がまもなく登場する?!

1.「次世代リチウムイオン電池」とは?

携帯電話やデジタルカメラ、ノートPCなどのバッテリパックには、繰り返し充電が可能な二次電池(充電できない乾電池などは一次電池と呼ばれている)としてリチウムイオン電池が広く使われている。しかし、従来のリチウムイオン電池はリサイクルが難しく、また電気自動車用途にはまだ容量不足である。そこで、こうした課題を克服するための新しい構造を持つリチウムイオン電池の開発が進められており、これらのリチウムイオン電池は「次世代リチウムイオン電池」と呼ばれている。その代表例として独立行政法人 産業技術総合研究所・エネルギー技術研究部門・エネルギー界面技術グループが開発を進めている「リチウム-銅二次電池」を挙げることができる。

リチウム-銅二次電池の構造を図1に紹介しよう。金属リチウム(Li)の負極側に有機電解液、金属銅(Cu)の正極側に水溶性電解液を用い、両電解液を固体電解質(固体状態のままでイオンが流れる(移動する)物質のこと)の分離壁(ガラス)で仕切る構造になっている。分離壁で2つの電解液を仕切ることで両者は混合しない仕組みだ。また、この分離壁はリチウムイオン(Li+)だけを通し、銅イオン(Cu2+)は有機電解液に到達しない。

図1 リチウム-銅二次電池の構成と従来技術との性能比較
図1 リチウム-銅二次電池の構成と従来技術との性能比較

資料提供:産業技術総合研究所

充電時の電極における反応は次のようになる。

(3)負極での反応
 金属リチウムがリチウムイオンとして有機電解液に溶解し、電子e-が配線に供給される。溶解したリチウムイオンは固体電解質を通り抜けて正極側の水溶性電解液に移動する。
(4)正極での反応
 金属銅が銅イオン(Cu2+)として水溶性電解液に溶解し、電子e-が配線に供給される。

一方、放電時の電極反応は次のようになる。

(1)負極での反応
 リチウムイオン(Li+)は正極側の水溶性電解液から分離壁を通り抜けて負極表面に達し、そこで配線から電子e-が供給される。
(2)正極での反応
 銅イオンは正極側の水溶性電解液から正極表面に達し、そこで配線から電子e-が供給される。

今回開発されたリチウム-銅二次電池の充電容量密度は約843 mAh/g(ミリアンペア時間:正極で反応した銅重量グラムあたりの放電容量)という値で、この放電容量は、従来型のリチウムイオン電池の正極容量(120?150 mAh/g)に比べると大幅(5倍以上)に増加している。100回の充電・放電後も、放電容量の低下は極めて小さい。また、電極には単純な金属リチウムと銅だけを用いるので、電池の生産コストを低く抑えることも可能だ。

2.「次世代リチウムイオン電池」はなぜ開発された?

資源の保護...金属の枯渇を防ぐため!

リチウムイオン電池は、充電時に正極から負極へ、放電時に負極から正極へリチウムイオンが移動することにより電池として作動するものだ。1990年代初めに実用化され、電池体積あるいは重量当たりの取り出せるエネルギー(エネルギー密度)が他種の電池に比べ格段に大きいことから、携帯電話、ノートPCなどのモバイル機器の電源として必要不可欠なものとなっている。ただし、現在のリチウムイオン電池は、その構造上、寿命の尽きた電池をリサイクルすることが非常に難しく、正極にコバルトやマンガンなどを使用することから資源の保護という観点で問題になっている。負極に使うリチウムにしても、その可採年数(=埋蔵鉱量÷生産量)は、2005年の時点で265年(出典:Mineral Commodity Summaries 2005)とされているが、携帯機器、ノートPCなどよりもはるかに大容量の二次電池を必要とするプラグインハイブリッド車、電気自動車などへの適用が本格化すると、石油より早期に生産ピークを迎え、厳しい制約を受ける資源になると予想されている。

そこで、リサイクルが容易な次世代リチウムイオン電池の開発が進められており、その1つがこのリチウム-銅二次電池というわけである。この電池は、電極に単純な金属のみを使っている。充電と放電の過程では、金属と金属イオンとの変化、すなわち金属の溶解と析出反応(めっき)だけを利用していることから、使用後も活物質(電解質との化学反応によって、電子を放出したり、取り込んだりする物質)は金属のままだ。リチウム-銅二次電池では、活物質として金属リチウムと銅を使用しており、これらの電極金属のリサイクル(活物質の回収と再生)を容易に実現できる。

3.「次世代リチウムイオン電池」の今後の展開

リチウム-銅二次電池の場合、水溶性電解液と有機電解液は固体電解質の分離壁で仕切られていることから、化合物形成のような複雑な過程がないため、理論的には大きな電流密度での使用も可能である。ただし、現段階では固体電解質の分離壁のリチウムイオンの伝導率が十分ではなく、電気自動車用途を考えると、今後、出力密度を改良していく必要がある。具体的には、分離壁の厚さを薄くすればするほど、伝導率を向上させることが可能だが、今度は強度の問題が出てきてしまう。従って、薄くても割れない分離壁の開発が求められている。この開発が進んで実用化されれば、まず携帯電話やノートPCのバッテリパックから順次、リサイクル可能なリチウム-銅二次電池に置き換わっていくことが期待されている。

一方、次世代リチウムイオン電池として期待されている存在として、もう1つ「リチウム-空気電池」がある。

図2 リチウム-空気電池の構造
図2 リチウム-空気電池の構造

資料提供:産業技術総合研究所

この電池に関しても、独立行政法人 産業技術総合研究所・エネルギー技術研究部門・エネルギー界面技術グループでは、負極(金属リチウム)側に有機電解液を、正極(空気)側に水性電解液を用い、両者を固体電解質の分離壁で仕切り、両電解液の混合を防ぐ構造を採用した。その結果、連続50000mAh/gという大容量の放電実験に成功した。

この技術は自動車用電池として極めて有望であり、例えば電気自動車用のスタンドで、正極の水溶性電解液を入れ替え、負極側の金属リチウムをカセットなどの方式で補給すれば、自動車は充電の待ち時間なく連続走行できるようになる。また、使用済みの水溶性電解液からは電気的に容易に金属リチウムを再生可能で、リチウムを繰り返し使用できる。言い換えると、この電池は金属リチウムを燃料とした新型の燃料電池である。理論的には金属リチウム30キログラムはガソリン40リットルとほぼ同じエネルギーを持っている。

今後、これらの次世代リチウムイオン電池の研究開発が進むことで、低コストで安全な二次電池として、様々な分野でリチウムイオン電池がさらに普及していくことになるはずだ。

取材協力 : 独立行政法人 産業技術総合研究所

掲載日:2010年3月10日

キーマンズネット

出典元:株式会社リクルート キーマンズネット 2010年02月03日掲載分

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