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従来の理論容量を超越した酸化スズ系負極材料を開発

―電気自動車の性能、飛躍的に向上へ―
2010年3月25日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
国立大学法人神戸大学
国立大学法人岩手大学
 NEDOの次世代自動車向け蓄電池開発プロジェクトの一環として神戸大学の水畑穣准教授らと岩手大学の宇井幸一准教授らは、リチウムイオン電池用酸化スズ系負極材料において、ナノレベルで粒子の構造を制御することにより、従来の理論容量をはるかに超えたリチウムイオン負極材料の開発に成功しました。この成果を活用することにより、高容量かつ高耐久な電気自動車等用リチウムイオン電池の開発が期待されます。

1.背景

 現状の電気自動車において特に重要な技術的課題として挙げられているのが航続距離とコストです。これらの問題を解決するキーテクノロジーとして注目されているのがリチウムイオン電池に代表される高性能蓄電池です。
 リチウムイオン電池は原理的には従来の蓄電池と比較して高いエネルギー密度を誇りますが、現行のガソリン車並みに航続距離を伸ばすためには、より多くの電気を貯蔵放出できる新しい電極材料の開発が必要とされています。

2.成果の特徴

(1) 航続距離への寄与

 神戸大学の水畑 穣准教授らならびに岩手大学の宇井幸一准教授らは酸化スズ系負極材料においてこれまで考えられてきた理論容量(約780mAh/g程度)をはるかに超えた1015mAh/gの初期放電容量を示す負極材料を開発しました。この容量は従来の結果を遙かにしのぐ値であるだけでなく、これまで不可能とされてきた不可逆反応を充放電に活用するという新たな概念をナノ材料によって実証したものです。この成果によりさらに航続距離が向上するための新たな糸口を発見したことになります。

(2)耐久性向上への寄与

 開発した負極材料は、金属酸化物ナノ粒子をポリマー中に高分散状態で保持することにより、充電時に従来不可逆とされてきたコンバージョン反応を含めた容量となるだけではなく、その際の充電容量を基準としてその95%を超える放電容量が得られました。全反応における充放電時の反応における体積変化は合金化反応のみを利用する合金系負極材料の場合よりも少ないために、電極の耐久性向上に寄与することが明らかになりました。

(3) 低コスト化への寄与

 開発した負極材料の合成方法である液相析出法(※1)は常温常圧下において金属酸化物を得られる合成法であり、従来の酸化物合成法と比較しても簡便かつ安価に合成することが可能です。またバインダーにはポリビニルアルコール、ポリアクリル酸等の安価な水溶性バインダー(※2)を利用していることから、材料コストの低減が期待できます。

(4)技術的詳細

 水畑准教授らは従来から金属酸化物表面近傍のイオン移動について研究を進めるとともに、液相析出法により得られた金属酸化物ナノ粒子が反応性の高い電池活物質として利用できることを見出し、とりわけ高結晶性なナノ粒子が得られる酸化スズを採用しました。しかしながら、リチウムイオンと反応する酸化スズは充電時にコンバージョン反応(※3)によりスズと酸化リチウムに相分離するため、放電時には不可逆過程となり、充放電容量としては取り扱われてきませんでした。
 そこで酸化スズナノ粒子を水溶性ポリマー溶液中に分散混合後、乾燥させ、ポリマーを分子レベルでナノ粒子表面に分散させました。さらに従来利用されてきた疎水性バインダーの代替として親水性バインダーを利用するだけでなく、それをナノ粒子表面に分子レベルで吸着、分散させることによって、コンバージョン反応を可逆的に行わせることに成功しました。その結果、従来約780mAh/g程度と考えられていた酸化スズの理論容量を大きく超える1015 mAh/gの初期放電容量を達成することができました。
 今後、酸化スズ以外の金属酸化物(酸化ケイ素等)にこの概念を適用し、さらに既存の高電位正極材料を組み合わせることにより、約600Wh/kgの電池を構成することが可能となる見込みです。(正極220Ah/kg,負極1000Ah/kgの電圧3.3Vを想定、現行技術は 300~360[Wh/kg]) なお、この成果のさらなる詳細については、3月29日から始まる電気化学会第77回大会において発表される予定です。

3.お問い合わせ先

(本プレスリリースの内容についての問い合わせ先)
NEDO 燃料電池・水素技術開発部 宍戸、丸山 TEL 044-520-5264

(プレス発表/取材に関する問い合せ先)
NEDO 広報室 萬木(ゆるぎ)、田窪  TEL 044-520-5151

(参考)用語の解説

  • ※1 液相析出法:
    金属フッ化物錯体の加水分解平衡反応を水溶液中で行うことによって、金属酸化物を合成する手法。広範な基板材料に薄膜形成が可能である他、高分子溶液中において反応させることにより、ナノ粒子が得られることが知られている。
  • ※2 バインダー:
    物と物を接着する物質。電池の製造においては、電極材料の粒子同士を結着させるとともに、集電体に密着させる役割がある。
  • ※3 コンバージョン反応:
    金属酸化物がリチウムイオンと反応し、酸化物が還元して金属とリチウム酸化物に変化する反応。この反応の際に、相分離を生じることが、従来の不可逆過程の要因となっていた。