2019年08月28日 15時04分サイエンス

リチウム金属電池の寿命を短くしている原因を研究者が突き止める

by UC San Diego Jacobs School of Engineering

リチウムイオンバッテリー(リチウムイオン二次電池)はPCやスマートフォンなどの電子機器に利用されていますが、研究者らはバッテリーの性能をさらに向上させるため、リチウム金属電池といった新たな電池の研究を進めています。カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者が率いる研究チームは、充放電のたびに劣化してしまうリチウム金属電池の弱点の原因を、新たな分析手法の開発によって突き止めました。

Quantifying inactive lithium in lithium metal batteries | Nature
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1481-z

Study identifies main culprit behind lithium metal battery failure
https://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2850

通常のリチウムイオンバッテリーでは電池のアノードにグラファイト(黒鉛)を使用していますが、アノードにリチウム金属を使うことで性能を高めたものがリチウム金属電池です。リチウム金属電池は従来のリチウムイオンバッテリーの2倍のエネルギー密度があり、実用化されれば電池の寿命が長くなり、バッテリーの重量も減らすことができると期待されています。

ところがリチウム金属電池には、充電した容量のうちどれだけを放電できるかを示す「クーロン効率」が低いため、充電池としての寿命がリチウムイオンバッテリーなどに比べて短いという欠点があります。

研究者らはリチウム金属電池のクーロン効率が低いことについて、アノードと電解質の間に形成される固体電解質相間界面(SEI)と呼ばれる層が成長することが原因であると考え、SEI層の制御・安定化に苦心してきました。しかし、カリフォルニア大学サンディエゴ校のY. Shirley Meng氏は、リチウム金属電池のクーロン効率の低さはSEI層の形成だけではなく、他の重要な側面が見落とされていると指摘。

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Meng氏らの研究チームは、リチウム金属電池が放電している間にアノードからリチウムが分離し、SEI層の中に閉じ込められることで不活性化し、クーロン効率を低下させているのではないかと考えました。

この仮説を確かめるため、研究チームはアノード上の不活性なリチウムの中に、未反応のリチウムがどれほど含まれているのかを正確に測定する手法を開発しました。手法は、サンプルを密閉されたフラスコの中に入れ、水を加えることでリチウムと科学的に反応させ、水素ガスを発生させるというもの。この水素ガスの量を測定することで、不活性なリチウム中のリチウム含有量を知ることができるというわけです。

不活性なリチウムの構成要素としてはリチウムのほか、SEI層の構成要素であるリチウムイオンがあり、不活性なリチウム中のリチウム含有量を引くだけでリチウムイオンの量も判明します。研究チームの測定結果により、不活性なリチウム中の主要成分はアノードからはがれたリチウムであり、リチウムイオンは主要構成要素ではないことがわかりました。つまり、クーロン効率の低下とSEI層の主要構成要素であるリチウムイオンの量は関係なく、アノードから分離したリチウムがクーロン効率低下に関係しているといえます。

研究チームによると、リチウム金属電池の充電中にリチウムがアノードに蓄積することが、クーロン効率の低下に関係しているとのこと。アノード上にリチウムが高密度で蓄積すれば、放電中にリチウムがSEI層に取り込まれる割合を減らすことができ、クーロン効率の低下を防ぐことができるそうです。「私たちの洞察が、リチウム金属電池の研究を次のレベルに引き揚げる刺激になることを願っています」と、Meng氏は述べました。