従来比2倍のエネルギー密度へ、リチウム硫黄電池の正極を新開発：蓄電・発電機器（2/2 ページ）

大阪府立大学の辰巳砂昌弘氏らは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と硫化物固体電解質を組み合わせた正極を開発し、容量と寿命の飛躍的な向上に成功した。

[庄司智昭，スマートジャパン]

作製した固溶体の特性評価

　図2はそれぞれの試料のX線解析（XRD）パターン、格子定数、イオン伝導度の組成依存性を示している。XRDパターンではLi₂Sに帰属されるピークのみが観察されており、ハロゲン化リチウムのピークが消失していることが分かったという。

　（100−x）Li₂S・xLiIにおいて、x＝25の組成ではLiIのピークが観察されており、x≦20組成領域でLi2Sベース固溶体の生成を確認。作製した試料の格子定数は、ハロゲン化リチウムの置換に伴って連続的に変化していることから、Li₂Sを母相とする固溶体が生成していると考えられる。またハロゲン化物アニオンの導入で、Li₂S自身のイオン伝導度は最大2桁以上増大し、室温で10⁻⁶Scm⁻¹以上のイオン伝導度を示している。

図2：固溶体のXRDパターン（a〜c）、格子定数（d）、イオン伝導度の組成依存性（e） 出典：JST

　充放電特性は、高い伝導度を示したLi₂S-LiCl、Li₂S-LiBr、Li₂S-LiI固溶体と、固体電解質を組み合わせた正極を全固体電池へ適用して調べたという。その結果、Li₂S-LiI固溶体の可逆容量が最も大きく、容量はLi₂S単体よりも2倍以上となっており、Li₂Sの理論容量と同等の容量で作動することが分かった。

　Li₂S-LiI固溶体と硫化物固体電解質を組み合わせた正極の長期繰り返し充放電試験の結果が図3となる。これまで報告されているLi₂S正極は、1000〜1500サイクル後に初期容量の30〜60％しか維持していなく、徐々に劣化していることが分かる。今回発表した正極は2000サイクル間で容量劣化せず、飛躍的に寿命が向上することを明らかにした。

図3；長期サイクル特性比較 （クリックで拡大） 出典：JST

　今後は正極層の厚膜化、軽量化を目的とした固体電解質層の薄膜作製、高エネルギー密度の負極材料の開発を進める。これらを組み合わせて、リチウムイオン電池よりも2倍のエネルギー密度を有する全固体リチウム硫黄二次電池の構築を目指すとした。