プレスリリース

高容量および長寿命を兼ね備えたリチウム-硫黄二次電池用正極の開発に成功―リチウムイオン電池を凌駕する次世代型蓄電池の実現に期待―

更新日:2017年5月24日

公立大学法人大阪府立大学大学院  工学研究科 辰巳砂 昌弘 教授、林 晃敏 教授、博士研究員 計 賢らは、JST戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発・特別重点技術領域「次世代蓄電池」(ALCA-SPRING)の一環として、次世代型蓄電デバイスであるリチウム-硫黄二次電池の実現に向けて、硫化リチウムベースの固溶体(解説1)と硫化物固体電解質(解説2)を組み合わせた正極を開発し、正極の容量および寿命を飛躍的に改善させることに成功しました。

研究成果のポイント

  • リチウム-硫黄二次電池の正極材料として硫化リチウムベース固溶体、電解質として硫化物固体電解質を組み合わせた正極を開発。
  • 硫化リチウムベース固溶体を用いた正極は、硫化リチウム単体を用いたときよりも2倍以上大きな容量を示し、可逆に作動。
  • 2000回充放電を繰り返しても劣化はなく、安定に作動。

リチウム-硫黄二次電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して、高い理論エネルギー密度注(解説3)を有することから、次世代型の蓄電デバイスとして注目されています。しかし電極反応時、中間反応生成物である多硫化リチウムが有機電解液に溶出するため、電池容量が劣化するという問題がありました。さらに、Li+イオン貯蔵材料の硫化リチウム(Li2S)自身が絶縁体であるため、可逆容量が小さく、従来のリチウムイオン電池を凌駕するリチウム-硫黄二次電池の構築にはLi2S正極材料の高容量化が必要とされています。本研究では、多硫化リチウムの溶出を抜本的に防ぐとともに、Li2Sの高容量化を目的として、硫化物固体電解質と、Li2Sベースの固溶体を組み合わせた正極を開発しました。その正極はLi2Sの理論容量とほぼ同等の1100 mAh g-1以上の可逆容量を示し、充放電繰り返し試験では、2000サイクルの間、容量劣化が観測されず、長寿命化を実現しました。リチウム-硫黄二次電池は世界中で研究開発が激化していますが、実用化にはまだ至っていません。本研究で得られた成果は、これまで報告されているLi2S正極の中で最も高い容量と優れたサイクル寿命を達成しており、リチウム-硫黄二次電池実現の可能性を世界に先駆けて示すものです。リチウム-硫黄二次電池の実用化が実現すれば、より高容量かつ長寿命なポータブル電子機器や家庭用分散型電源、非常用電源の開発に大きく貢献することになります。

Li2Sベース固溶体と硫化物固体電解質を組み合わせた正極を評価した全固体電池

正極、負極、有機電解液から構成された従来のリチウム-硫黄電池(左図)とLi2Sベース固溶体と硫化物固体電解質を組み合わせた正極を評価した全固体電池(右図)

なお、本研究成果は、「Advanced Sustainable Systems」誌のオンライン版「Wiley Online Library」にて、ドイツ時間 2017年5月24日に掲載されました。

論文タイトル「Li2S-Based Solid Solutions as Positive Electrodes with Full Utilization and Super-Long Cycle Life in All-Solid-State Li/S Batteries」

用語解説

解説1 固溶体

2種類以上の固体が均一に混じり合うことで生成する固体のこと。導入されたイオンが、結晶の構造中の別のイオンと直接位置を交換することで形成される。本研究ではハロゲン化物イオンが、Li2S結晶中の硫化物イオンと一部置換することによって固溶体が得られている。

解説2 硫化物固体電解質

固体中を特定のイオン、ここではリチウムイオンが高速に伝導する材料を固体電解質という。
固体電解質を大別すると酸化物系と硫化物系がある。硫化物系固体電解質は、酸化物系電解質と比較して、イオン伝導度が高く、室温加圧のみで粒界抵抗を低減できるなど、全固体電池へ応用するうえで多くのメリットをもっている。

解説3 理論エネルギー密度

電極材料1kgあたりのエネルギーWhのこと。単位はWh kg-1。リチウム-硫黄電池を作製した場合、理論エネルギー密度は最大で2300Wh kg-1となる。LiCoO2を正極、グラファイトを負極とした現行のリチウムイオン二次電池の理論エネルギー密度は約580 Wh kg-1であり、リチウム-硫黄電池は、現行のリチウムイオン二次電池の約4倍のエネルギー密度を有する。

お問合せ先

(研究内容について)
公立大学法人大阪府立大学大学院 工学研究科
教授 辰巳砂 昌弘
Tel 072-254-9331
Eメール tatsu[at]chem.osakafu-u.ac.jp [at]の部分を@と差し替えてください。
 (JST事業に関するお問い合わせ)
国立研究開発法人科学技術振興機構 環境エネルギー研究開発推進部 ALCAグループ
江森 正憲
Tel 03-3512-3543
Eメール alca[at]jst.go.jp [at]の部分を@と差し替えてください。