東京農工大学の研究チームが、二酸化炭素を原料に用い、イオン伝導性と強度を両立するリチウム二次電池用の固体ポリマー電解質を開発した。次世代の高効率バッテリー開発に向けた一歩となると期待されている。
二酸化炭素を原料に用いた、次世代電池開発への新たなアプローチ
リチウムイオン電池は私たちの生活に欠かせない存在となっているが、従来の電池は安全性や効率性の面で課題を抱えていた。特に有機電解液を使用する場合、揮発性や引火性の問題があり、技術的な改良が急務とされていた。そうした中、東京農工大学大学院工学研究院応用化学部門の富永洋一教授、木村謙斗助教、博士課程のNantapat Soontornnon氏が率いる研究チームは、二酸化炭素とエポキシド共重合体を原料にした固体電解質を開発し、これまでにない性能と安全性を両立させた材料を実現した。
これまでのリチウム二次電池は、有機溶媒を使用した液体電解質に依存していたが、この研究では二酸化炭素を原料とする固体高分子を採用。二酸化炭素とエポキシドを共重合することで得られる脂肪族ポリカーボネートを基に、リチウム塩を組み合わせた新しい材料を作り出した。この固体ポリマー電解質は、高いイオン伝導度と力学的強度を兼ね備え、フレキシブルな膜状電解質としての応用が可能だ。
研究グループは、材料内部の架橋構造を精密に制御し、さらにリチウム塩の超高濃度化を図ることで、従来の固体高分子電解質にはない特性を引き出すことにも成功。この材料は、リチウム金属を負極、リン酸鉄リチウムを正極とした二次電池で試験され、400回以上の充放電サイクルにおいて安定した性能を示した。
今回の研究成果で特筆すべき点は、二酸化炭素を利用したポリマー素材の高いイオン伝導性と強度の両立にある。従来の材料では、電解質の柔軟性や耐久性を高めると、イオンの伝導性が損なわれるというジレンマがあったが、富永教授らのチームは、材料内部に架橋構造を取り入れることで、この問題を解決した。
これまで、架橋による材料強度の向上は一般的な手法とされていたが、イオン伝導度の低下を伴うことが課題だった。しかし、今回の研究では、二酸化炭素を含む新しい共重合体の特性を活かし、架橋構造の導入によりイオン伝導度を向上させることができた。この革新的な設計により、電解質のセパレータとしての機能を維持しながら、効率的な充放電サイクルを実現した。
この新しい材料は、リチウム電池の安全性と性能を向上させるだけでなく、二酸化炭素の有効利用という環境面でも大きな意味を持つ。カーボンニュートラルの実現に向け、産業界や研究者たちが取り組んでいる中、今回の成果は、二酸化炭素を固定化しつつ高機能な素材を生み出す新たな方法として注目されている。
研究チームは、今回の成果を基にさらに材料設計を進化させ、将来的にはより高電圧で動作するリチウム二次電池の開発や、リチウムに代わるナトリウムなどの新しい元素を用いた次世代電池の応用も視野に入れている。
現在、リチウムイオン電池はスマートフォンから電気自動車まで幅広い用途で使用されており、その進化は今後の技術革新の鍵を握る。今回の研究は、より安全で高性能なバッテリーを実現するための重要な一歩といえる。特に、再生可能エネルギーの蓄電技術や電気自動車の普及に向け、効率的で環境に優しいエネルギー貯蔵技術が求められている中で、この研究成果がもたらす波及効果は大きい。
プレスリリースはこちら