東レが究極の二次電池「リチウム空気電池」の課題解消に成功！

リチウム空気電池の課題を解消する新たなイオン伝導ポリマー膜

携帯型電子機器や定置用蓄電池などの家庭や身近なものでの使用に加え、EV（電気自動車）などの車載用途として急速に需要が拡大している二次電池。

今後はEVや産業用ドローンの航続距離拡大、将来のUAM（Urban Air Mobility／都市型航空交通=空飛ぶクルマ）の実用化も見据え、さらなる軽量化・高エネルギー密度化が求められている。

そんな次世代電池の中で最も注目を集めているのが、正極に空気極、負極に金属リチウムを使用する「リチウム空気電池」だ。

リチウム空気電池は従来のリチウムイオン電池と比較すると、軽量でありながら理論重量エネルギー密度は10倍以上と破格のスペックを誇る。そのため、実用化されればパソコンなどに搭載され、普及しているリチウムイオン電池に代わる電池として期待が寄せられている。

しかし、リチウム空気電池には寿命と安全性という2つの課題がある。

寿命と安全性という2つの課題がリチウム空気電池の実用化を阻んでいる

画像提供：東レ

一般的なセパレータ（電池の正極と負極を隔離して電解液を保持し、イオンが両極間を行き来できるようにする材料）である微多孔フィルムを使用した場合、充放電の繰り返し時に正極と負極に使用される異なる2種類の電解液が混合し、電池が劣化しやすくなる。

また、充電時にリチウムデンドライト（電池の充電によって結晶成長するリチウムの樹枝状結晶）が析出（固体以外の状態にある物質が固体として現れる現象）し、それが成長してセパレータを突き破り、正極と負極のショートを引き起こすなど安全性が低下する課題もあった。

リチウムデンドライトによる安全性低下のイメージ。セパレータを突き破るまでにリチウムデンドライトが成長すると、電池の材料構造が破壊されショートが発生。これが発熱や発火を引き起こす原因の一つとなっていた

現在、さまざまな解決方法が模索される中で、東レ株式会社は2022年6月1日、そうした課題をまとめて解消する空気電池用イオン伝導ポリマー膜の開発成功を発表した。

充電サイクルで従来対比10倍以上の性能向上を達成

開発された空気電池用イオン伝導ポリマー膜は、高耐熱アラミド（芳香族ポリアミド）ポリマーの分子設計技術が応用された。

アラミドは優れた耐熱性と剛性を有する高機能ポリマーで、フィルム分野において世界で唯一、東レだけがミクトロン^（R）ブランドで製品化している。

新開発の空気電池用セパレータ構造の外要図

画像提供：東レ

まず、リチウムイオンがホッピング移動（膜中に形成された隣接するサイト間をジャンプして移動するイオン伝導のこと）できる新規ポリマーを設計し、これにLi（リチウム）塩を加えて複合化。

これにより、電池作動が可能な3×10^-5S/_cm（ジーメンス毎センチメートル/電導率）という高いイオン伝導性を有する無孔イオン伝導ポリマー膜を作り出した。

開発された無孔イオン伝導ポリマー膜。フィルムが無孔になったことで、2種の電解液分離性とリチウムデンドライトの抑制が原理的に達成可能だという

画像提供：東レ

東レによれば、この無孔イオン伝導ポリマー膜をセパレータに用いたリチウム金属電池は、充放電サイクルにおいて微多孔フィルムよりも10倍以上の安定した電池作動時間を確認。

今後技術が確立した暁には、電池の安全性向上と長寿命化が図れ、EVや産業用ドローン、UAMなどの航続距離拡大に貢献できるとしている。

課題解消への道筋が示されたことで、実用化へとまた一歩前進したリチウムイオン空気電池。

待ち望まれる次世代電池の早期誕生に向け、研究開発のさらなる加速に期待したい。