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リチウム電池を凌駕する性能 硫化物ガラスと樹脂で作った高分子・ガラス電池を開発

1 :pureφ ★ 2012/03/01(木) 13:55:45.48 ID:???

ガラスと樹脂で作った電池、リチウムを超えるのか

イーメックスはリチウムイオン二次電池と似た新型電池を開発した。「高分子・ガラス電池」と呼ぶ。20年以上利用でき、低コスト化が可能だ。さらに充電時間が数分と短い。これはリチウムイオン二次電池では実現が困難な優れた性質だ。どのようにして新電池を実現したのだろうか。

イーメックスは2012年2月、リチウムイオン二次電池を上回る長寿命で低コストな新型電池「高分子・ガラス電池」を開発した。従来のリチウムイオン二次電池の性能は頭打ちになっているが、正極と負極に新材料を用いることで性能向上を果たしたという。「現在、性能評価を終えて、小型の連続製造装置が完成したところだ」(イーメックスの代表取締役である瀬和信吾氏)。同電池の特長を一言でいうなら、エネルギー密度に優れる二次電池と、パワー密度に優れるキャパシタの良いところ取りをした電池である。小型の電気自動車(EV)や太陽光発電システムとの併用などに向くとした。キャパシタに向く用途、すなわちEVのエネルギー回生や建機などにも役立つという。

20120229Eamex_NewCell_440px.jpg
イーメックスの高分子・ガラス電池 高分子・ガラス電池の試作品(図左の白い板)と正極(図中央)、負極(図右)。
正極は連続生産するために帯状になっている。負極は金属箔に粉末状のガラス材料を塗布したもの


新電池が特に優れるのは1秒間に取り出せるエネルギーの量を示すパワー密度だ。7000W/kgという新電池の値は、電気二重層キャパシタ以上であり、短時間で大電流が必要なモーターなどの用途に向く。パワー密度が高いため、充放電に要する時間も短い。通常のリチウムイオン二次電池では30~60分を要する充電時間を3~10分に短縮できる。

電気二重層キャパシタとは、電極のすぐ近くの界面にできる「電気二重層」と呼ばれる、分子の長さに匹敵するほど薄い層を蓄電に利用するキャパシタ(コンデンサー)。ごく薄い電気二重層が電力を蓄えているため、抵抗が低くなり、短時間に大電力を出し入れできる。

新電池の重量エネルギー密度は60~80Wh/kgである。イーメックスによれば、EV用のリチウムイオン二次電池のエネルギー密度は70Wh/kg(携帯電話用は150Wh/kg)であるため、十分競合できるという。今後、エネルギー密度を160Wh/kg以上に高める開発を続けるとした。


畑陽一郎/@IT MONOist 2012年02月29日11時30分
http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1202/29/news022.html



●どうやって性能を高めたのか

現在広く使われているリチウムイオン二次電池は、正極にリチウム金属酸化物を用い、負極にグラファイト(炭素)を採用したものが多い。正極材料を変えることで電池の容量や安全性を高める開発が盛んである。負極にスズ(Sn)やシリコン(Si)を用いて容量を拡大しようとする研究も進んでいる。リチウムイオン二次電池の動作を見ると、性能改善策が理解しやすい(下図)。パワー密度を高めるにはLi+(リチウムイオン)がより移動しやすくなるよう改善すればよい。負極、正極とも工夫が必要だ。エネルギー密度を高めるためには、負極、正極が取り込むことのできるLi+の数を増やせばよい。電池の寿命(充放電サイクル数)を高めるにはどうすればよいだろうか。現在のリチウムイオン電池の充放電サイクル数は500~2000回程度だ。これはLi+が、正極のリチウム金属酸化物に出入りするごとに正極の結晶構造が乱れていくことによる。従って(結晶)構造が乱れにくい材料を使えばよい。

20120229Eamex_LiCell_512px.jpg

リチウムイオン二次電池の動作
Li+(リチウムイオン)の移動によって充放電を実現している。充電時には左側の負極にLi+が入り、放電時は右側のリチウム金属酸化物(図ではLiCoO2:コバルト酸リチウム)にLi+が移動する。電解質には有機物である炭酸エチレン(EC)や炭酸ジエチル(DEC)などの有機混合溶媒に、LiPF6(六フッ化リンリチウム)などを溶かし込んで用いることが多い。




●正極を工夫したイーメックス

イーメックスの高分子・ガラス電池の構造や動作はリチウムイオン二次電池と似ている。ただし、正極には導電性高分子(樹脂)を用いており、負極は金属硫化物ガラスだ。さらに電荷を運ぶ物質が多少異なる。「高分子・ガラス電池が通常のリチウムイオン二次電池と異なるのは、Li+の挙動だ。新電池では、Li+ではなく、電解質中のPF6-が正極の導電性高分子との間で、ドープ/脱ドープを起こす」(イーメックスの瀬和氏)。パワー密度が高くなるのは、このドープ/脱ドープ反応を高速化できたからだという。「導電性高分子を製造する際に、分子間にすき間ができるような製法を確立している。この製法を使わないとパワー密度が高くならない」(瀬和氏)。寿命が長くなる理由も同じだ。高分子材料は柔軟性があるため、ドープ/脱ドープ反応を繰り返しても構造が劣化しにくい。


●ガラス会社がなぜ負極材を作ったのか

高分子・ガラス電池の負極に使った金属硫化物ガラスは、五鈴精工硝子が産業技術総合研究所(産総研)と共同で開発した材料だ。「当社は光学用途のガラスを開発、製造している。今回のガラスは赤外線のみを通す性質があり、産総研の光学グループと長年共同開発を続けてきた。あるとき、産総研の電池グループと情報を交換する機会があり、『硫化物がリチウムイオン二次電池の負極材として適しているのだが、どうもうまくいかない』という話を耳にした。そこで安定性の高い当社の金属硫化物ガラス(図3)を利用することになった」(五鈴精工硝子)。開発した金属硫化物ガラスは、窓ガラス(青板ガラス)などとは全く組成が違う材料だ。Sn(スズ)やSb(アンチ
モン)、S(イオウ)が主成分であり、この他にもう1種類の金属元素が含まれている。負極としての性能にはスズとイオウが効いているという。

20120229Eamex_powder_384px.jpg

金属硫化物ガラスの粉末
五鈴精工硝子が産業技術総合研究所と共同で開発した材料である。数μm系の粉末として使う。2011年10月に開発に成功したことを発表。



硫化物が優れるのは、Li+の吸蔵(吸い込む)能力が高い点だ。リチウムイオン二次電池が使うグラファイトでは1g当たりの放電容量は最大372mAhだ。それに比べて、今回の材料は約1400mAh(30℃)と高い。産総研の問題意識はこうだ。従来の硫化物は充放電サイクル特性(寿命)と低温特性に難があった。充放電サイクル特性は、先ほど説明したように膨張収縮にいかに耐えるかで決まる。「原子がガラス構造(ガラスマトリックス)を形成したときは、金属酸化物結晶とは違い、いびつな形をしており、いわば『緩衝作用』がある。今回の金属硫化物ガラスとSi(シリコン)との複合体では、Li+を吸蔵すると元の体積の2.5~3倍に膨らむが、非破壊だ」(五鈴精工硝子)。これで充放電サイクル寿命が伸びた。低温特性も向上しており、放電容量は約1000mAh/g(-5℃)、約600mAh/g(-20℃)と悪くない。ただし、なぜ改善できたのかはよく分かっていないのだという。正極材料、負極材料とも充放電による変形作用を受けにくいため、容量維持率90%を満たす充放電サイクル寿命は1万回以上と長い。これは通常の電池の使い方では20年以上の寿命に相当するという。



●コストダウンも可能

高分子・ガラス電池の性能が高いことは分かった。だが、このような材料を使って安価に電池を製造できるのだろうか。正極の導電性高分子は、フィルム材であるため、イーメックスによれば、ロールツーロール法で量産でき、リチウムイオン二次電池のリチウム金属酸化物正極と比較して、10分の1のコストで製造できるという。このため、Wh当たりの電池セルの製造コストは20~50円になるという。負極についてもコストアップ要因は見当たらない。「当社独自の材料ガラス化プロセスは必要だが、それ以降の製造工程、ガラス粒子とSiの複合体にバインダーや電導助剤を入れてスラリー化し、電極に塗布後、乾燥するという部分は、グラファイトを用いた通常のリチウムイオン二次電池と同じだ」(五鈴精工硝子)。



4 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:18:48.04 ID:lS/X2Uz5

日本の会社


6 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:20:23.06 ID:dTquq1TX

お、いけそうな感じ。

いろいろ試作して欠点を洗い出し、商品化までこぎ着けてくれることを願うのみ


7 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:24:25.05 ID:z+wWzgFC

>当社独自の材料ガラス化プロセス
これが高価な気がする


9 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:28:59.95 ID:3G03ARhU

結局小さくならないんだな


10 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:31:39.40 ID:s5kTmdrj

小さくはならないけど長持ち、ってどんな用途あるかな
太陽電池で充電する照明とか?


11 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:35:40.10 ID:t7Ly8237

なんか、革命的な製品だな。

これがホントなら、早々に電気自動車が主役になるね。
ネックが電池だったんだから。


12 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:38:07.80 ID:FHyLZjgT

電解コンデンサーの代わりにいいんじゃない。寿命長いのはいいことだ。


13 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:47:43.64 ID:qN7k48g2

エネルギー密度がもう少し上がればリチウム置き換えできそうだけど、
この手ので実用化までこぎつけるのって少ないよな…。


14 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 14:48:11.03 ID:FHyLZjgT

ほんとか知らんが製造コストが鉛バッテリー以下だってよ、すげえな。


18 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 15:39:28.82 ID:B2lnZPCN

鉄道、とくに機関車向きかもしれない。
出発時トルクを大電力でまかない、減速時の回生電流でちまちま充電

欧米などほとんどの国のディーゼル機関車は、わざわざ重い発電機を積んで
ガーガー回しながら長大貨物列車を牽引してるけど、これを充電・放電で置換え
られるなら、騒音も排気もなくして高効率なら一石二鳥かも。

JRも含めて今はまだリチウム電池&ディーゼルのハイブリッド列車しかないけど
もし高分子ガラス電池の実用化が順調に進んで各国の貨物・旅客鉄道に普及すると
世界中のディーゼル機関車も架線式電車も不要、かつ運行経費は比較的安いという
すごい時代がくるかもしれない… ちょっと夢物語すぎかw


19 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 15:40:41.11 ID:FL8fmTpi

「二次電池用導電性高分子正極」を開発しただけで、従来のリチウムイオンの
原理のままってことか?
とりあえず負極が「金属硫化物ガラス」、電解質はリチウムイオン?
液体電解質を使うなら正極の結晶構造が乱れる根本的な対策じゃないだろう、
有望なのは液体電解質ではなく固体電解質(乱れる[液体]→乱れない[固体])
1万回程度のサイクルなら他にもあったよな。
リチウムイオン電解質の表記が見当たらないがそうじゃないならセル電圧は
何ボルトが最も重要な点になる。どうして隠す?
電圧が表記できないキャパシタのような性質なら、電池として扱うのは難しい
と思われる。もちろんキャパシタとしては合格。


20 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 15:45:16.09 ID:/XOeeNc5

材料の資源量はどうなの?
リンもフッ素も世界中の自動車にこの電池を積んでも足りるん?
22 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 16:01:41.57 ID:FL8fmTpi

>>20
電解液はPF6(リン+フッ素)のイオン(アニオン?)か

PF6の評価みると水に非常に弱く簡単に加水分解するてある。
内部の密閉度が高くないと湿気の混入防止技術がネックになりそうな気がする。
検索するとキャパシタでの利用で耐電圧が高いような表現があるね。


21 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 16:00:53.59 ID:eONImBBr

発火しないの?





29 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 17:12:47.64 ID:CSFY74sm

うーん・・・この手の電池とかいろいろ発表ありすぎてなあ・・・
結局電気バイクはいつ走り出すんですか?


31 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 17:40:30.00 ID:ssXM/XvI

>>29
もう中華製が走ってるけど
お国に去勢されてガソリン車の半分もパワー無い


39 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 21:54:40.85 ID:1yHHd3xo

もう一つの金属ってなんだろうな。
Mgとかの安い元素なら、Sbの方を伏せるよなあ。


35 :名無しのひみつ 2012/03/01(木) 18:43:36.70 ID:36fUSY0n

低コストで長寿命なら、夜間電力を有効活用する家庭用蓄電池としての需要もありそうだね






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この記事へのコメント:

- : 2012/03/02 (金) 10:26:08

硫黄っていやな響きだ

ちくわ少納言 : 2012/04/08 (日) 08:07:38

実用化までの道のりは遠そうですね。

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