リチウム空気電池の開発

物質・材料研究機構 (NIMS) は12月15日、ソフトバンクと共同で、現行のリチウムイオン電池の重量エネルギー密度（単位重量当たりの電池の容量）を大きく上回る500Wh/kg 級リチウム空気電池を開発し、室温での充放電反応を実現したと発表した。

エネルギー密度ならびに、サイクル数の観点で世界最高レベルであることを示している。

リチウム空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極にはリチウム金属を用いることによって、理論重量エネルギー密度が現行のリチウムイオン電池の数倍に達する「究極の二次電池」とされる。
軽くて容量が大きいことから、ドローンや電気自動車、家庭用蓄電システムまで幅広い分野への応用が期待されている。

空気中の酸素(正極活性物)とリチウム金属(負極活性物)が化学反応することで電力を生成する。

放電反応では、負極から溶け出したリチウムイオンが正極で酸素および電子と反応して過酸化リチウム(Li₂O₂)に変化し、充電反応では正極の過酸化リチウムが酸素とリチウムイオンに分解され、負極にリチウム金属が析出する。

また、正極活性物である酸素は常に大気中から取り込まれるというのが最大の特徴。電池内をほぼ負極活性物が占めることができる。

物質・材料研究機構は、科学技術振興機構 (JST) の高容量蓄電池の研究開発の加速を目的とするALCA次世代蓄電池プロジェクトの支援のもと基礎研究を進めてきた。
2018年にソフトバンクと共同で「先端技術開発センター」を設立し、携帯電話基地局やIoT、成層圏プラットフォーム などに向けて実用化を目指した研究を行っている。

リチウム空気電池は理論的には非常に高いエネルギー密度を示す一方で、従来のリチウム空気電池はセパレータや電解液といった電池反応に直接関与しない材料が電池重量の多くの割合を占めているため、実際に高いエネルギー密度のリチウム空気電池を作成・評価した例は限られていた。

研究チームは、これまでのALCA次世代蓄電池プロジェクトでの研究により、リチウム空気電池の持つ高いポテンシャルを最大限に引き出すことができる独自材料（多孔性カーボン電極、レドックスメディエーター含有電解液等）を開発してきた。さらに、研究チームは、「先端技術開発センター」で開発した高エネルギー密度リチウム空気電池セル作製技術を、これら材料群に適用することで、現行のリチウムイオン電池のエネルギー密度を大きく上回る500Wh/kg級リチウム空気電池の室温での充放電反応を世界で初めて実現した。

両者は、今後2025年ごろの実用化を目指して、さらなる研究開発を重ねていく予定。