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レアメタル不要の共融系二次電池を開発 (竹本達哉,[EE Times ...

レアメタル不要の共融系二次電池を開発 (竹本達哉,[EE Times Japan])

安価で環境に優しい

 産業技術総合研究所(産総研)と三菱自動車工業は2016年6月9日、レアメタルを使わず、安価で環境に優しい二次電池「共融系二次電池」を開発したと発表した。

 開発した二次電池の特長は、コバルトやニッケルなどのレアメタルと呼ばれる高価な遷移金属を含む酸化物固体が使われる正極側の活物質に「共融系液体」と呼ぶ液体を利用した点にある。産総研は「世界で初めて正極側の活物質に共融系液体を利用した」としている。

凝固点を下げる共融点組成で液体に

 共融系液体とは、2種類の固体物質を凝固温度を大幅に下げる共融点組成で混合し、融解させた液体を指す。冬季に塩化ナトリウムや塩化カルシウムを散布し凍結を防止したり、融雪したりするのも、この共融点組成を利用したものである。

 今回、産総研などは、レアメタルを含まない安価な三塩化鉄六水和物(FeCl3・6H2O)と尿素(CO(NH22)とを共融点組成で混合して液体とし、正極側の活物質として用いた。FeCl3・6H2OとCO(NH22はいずれも常温では固体だが、共融点組成により、約−7℃まで固化しなくなる。

 負極側にはリチウムイオン電池で一般的な金属リチウムと有機系の電解液を用いて共融系電池を試作した。なお、正極側の電解液は、FeCl3・6H2OとCO(NH22による液体がその役割を兼ねているため、不要だ。正極、負極の電解質液体を隔てる隔膜には、リチウムイオン伝導性の固体電解質(LISICON膜)を用いたとする。

安定した充放電動作という特長

 こうした構造を用いた二次電池(共融系二次電池)を実際に作製し、25℃と40℃での充放電特性を測定したところ、初期放電電圧が約3.4V、正極側の容量が40℃で141mAh/cm3となり、「今回用いた共融系液体が正極の活物質としてほぼ理論値*)に近い理想的な動作をしていた」(産総研)とする。

*)理論値:電圧が約3.4V、正極側の容量が共融系液体FeCl3・6H2O-尿素の重量当たりで89mAh/g、体積当たりで145mAh/cm3

 開発した共融系二次電池は、固体で問題になる構造劣化が生じない点に利点がある。0.5mA/cm2の一定電流密度にて、3時間放電と3時間充電とを繰り返し行った充放電試験を行ったところ、繰り返しのサイクル数も20回と少ないものの、「ほぼ変化のない繰り返し特性が認められた」(産総研)という。

課題は低温時……

 一方で、課題も見つかった。充放電試験は、40℃、25℃の両環境で実施し、温度の低い25℃の場合、充電時と放電時の電圧差がより大きくなることが判明。また、3サイクル目の充放電特性をみた場合にも、40℃では理論容量の97%まで放電電流量が得られたが、25℃の場合は60%にとどまり、低い温度で特性が劣ることが分かった。

 産総研では今後、「負極側にも共融系液体を用いた全共融系型二次電池を含め、優れた性能を示す実用的な共融系電池の開発を推進する」としている。


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