より良い、より安全な電池の実現に向けた木材由来の新素材

より良い、より安全な電池の実現に向けた木材由来の新素材 テクノロジー

木材由来の材料は、次世代電池の液体電解質に代わる可能性を秘めています。

より高い出力と安全性を備えた電池の実現に向けて、現在のリチウムイオン電池に使われている液体を固体材料に置き換える研究が進められています。

このたび、ブラウン大学とメリーランド大学の研究チームは、固体電池に使用できる新しい材料を開発しました。

Nature誌に掲載された研究では、銅とセルロースナノフィブリル(木材由来の高分子チューブ)を組み合わせた固体イオン伝導体を実証しています。

この紙のように薄い素材は、他のポリマーイオン導電体に比べて10~100倍も優れたイオン伝導性を持つといいます。

この材料は、固体電池の電解質として、あるいは全固体電池の正極のイオン伝導バインダーとして利用できる可能性があります。

メリーランド大学材料科学工学科のLiangbing Hu教授は、「一次元のセルロースナノフィブリルに銅を組み込むことで、通常はイオンを通さないセルロースが、ポリマー鎖内でより速くリチウムイオンを輸送できることを実証しました。実際、このイオン伝導体は、すべての固体高分子電解質の中で過去最高のイオン伝導率を達成したことがわかりました。」と述べています。

この研究は、Hu氏の研究室とブラウン大学工学部のYue Qi教授の研究室との共同研究です。

携帯電話から自動車まで幅広く使われている現在のリチウムイオン電池の電解質は、リチウム塩を液体有機溶媒に溶かしたものです。

電解液の役割は、電池の正極と負極の間にリチウムイオンを伝導することです。

液体電解質は非常に優れた働きをしますが、欠点もあります。

大電流が流れると、デンドライトと呼ばれるリチウム金属の小さなフィラメントが電解液中に形成され、ショートすることがある。

また、液体電解質には可燃性や毒性のある化学物質が使用されているため、発火の恐れがあります。

固体電解質は、デンドライトの侵入を防ぐことができる可能性があり、不燃性の材料で作ることができます。

これまで研究されてきた固体電解質の多くはセラミック材料で、イオン伝導性に優れていますが、厚くて硬く、脆いという特徴があります。

製造時や充放電時にストレスがかかると、欠けや破損の原因となります。

しかし、今回紹介する素材は、薄くて柔軟性があり、まるで紙のような素材です。

しかも、そのイオン伝導性はセラミックスと同等です。

Qi氏とブラウン大学の上級研究員であるQisheng Wu氏は、銅-セルロース素材がなぜこれほどまでにイオンを伝導できるのかを解明するために、その微細な構造をコンピューターでシミュレーションしました。

モデリングの結果、通常は緊密に束ねられた状態で存在するセルロースポリマー鎖の間に、銅が入ることで空間が広がることがわかりました。

この間隔の拡大により、リチウムイオンが比較的自由に行き来できる「イオンの高速道路」のようなものが形成されます。

「リチウムイオンは、この有機固体電解質の中で、無機セラミックに見られるようなメカニズムで移動し、記録的な高イオン伝導性を実現しています。自然界に存在する材料を使うことで、電池製造による環境への影響を低減することができます。」とQi氏は語ります。

この新素材は、固体電解質としての機能に加えて、固体電池の正極バインダーとしても機能します。

正極は、負極に匹敵する容量を得るために、大幅に厚くする必要があります。

しかし、その厚さはイオン伝導性を損ない、効率を低下させます。

厚い正極を機能させるためには、イオン伝導性のあるバインダーで包む必要があります。

研究チームは、新素材をバインダーとして使用し、これまでに報告された中で最も厚い機能性正極の一つであることを実証しました。

研究チームは、この新材料が、固体電池技術を大量に市場に投入するための一歩になると期待しています。

ブラウン大学での研究は、米国科学財団(DMR-2054438)の支援を受けて行われました。

Published by Brown University. Chunpeng Yang et al, Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03885-6