リチウムイオン電池に新材料：配位高分子への期待（科研費NEWS_2012_vol.2）
筑波大学 数理物質系 教授 守友 浩
研究の背景
リチウムイオン電池はスマートフォンやモバイルPCには欠 かせない部材であるだけでなく、電気自動車の電源や高容 量の蓄電池への応用が期待されています。リチウムイオン電 池材料の研究開発の主流は酸化物系材料で、現在、 LiCoO2が実用化されています。LiCoO2は1グラム当たり、 140ミリアンペア時の電気量を蓄えることができます。リチウム イオン電池は、他の電池に比べて、容量が大きくサイクル特 性（何度でも充放電ができる）が高いという特徴を持ってい ます。しかしながら、大きな電流量を取り出せないため、出力 密度が小さいという欠点があります。出力密度を向上させる には、高速でリチウムイオンを出し入れしなくてはなりません。 私たちは、三次元配位高分子（図1）であるプルシャンブ ルー類似体に着目し、これまで系統的な研究を進めてきまし た。この化合物では、リチウムイオンの出入り口が広いだけで なく、その経路が三次元的に広がっています（図1）。そのため、 高速でリチウムイオンを出し入れできることが期待されます。
研究の成果
プルシャンブルー類似体（「活物質」）の本来の性能を引 き出すためには、「活物質」と電気を取り出す金属（「集電 極」）との電気的接触をよくする必要があります。そこで、私た ちは、「集電極」上に「活物質」を電界析出させた薄膜を作 成し、材料の性能を評価することにしました。鉄とマンガンを 組み合わせたプルシャンブルー化合物LiXMn［Fe（CN）6］ 0.81・3.0H2Oを「活物質」とし、透明電極であるインジウム錫酸 化物を「集電極」としました。図2に1.2μm程度の薄膜電極 の放電曲線を示します。340C（10秒で放電が完了する）と いう非常に速い放電速度においても、高い起電力と高い容 量（遅い放電速度の89％）が観測されました。また、高速放 電を繰り返しても高いサイクル特性が観測されました。 さらに、放電速度を向上させるために、材料をナノサイズ 化しました。その結果、3000C（1秒で放電が完了する）とい う驚異的な速度での放電が実現しました。この放電速度か ら出力密度を評価すると、720W/gとなります。この値は、電 気二重層キャパシタ電池の値をも超えています。 高速放電の実現には主に3つの要因が関係していると 考えられます。第一に、プルシャンブルー部位自体が高いリ チウムイオン拡散係数を示すことが挙げられます。この材料のリチウムイオンの拡散係数は、実用化されているリチウムイ オン電池の正極材料の値と比べて、10倍から100倍の大き さです。第二に、プルシャンブルー類似体の配位高分子構 造が、リチウムイオンの出入りに対して安定であることが挙げ られます。これに対して、実用化されている正極材料では、リ チウムイオンの出入りによる構造相転移が起こり、劣化の原 因となっています。第三に、「集電極」上の「活物質」の電気 的接触がよいことが挙げられます。
今後の展望
本研究により、鉄とマンガンを組み合わせたプルシャンブ ルー類似体が優れた正極材料であることが実証されました。 リチウムイオン電池材料の開発戦略に、配位高分子といっ た新しい材料系が加わりました。 プルシャンブルー類似体を大型蓄電池材料として利用す るには、材料を粉末化する必要があります。さらに、プルシャ ンブルー類似体はナトリウムイオンに対しても高い放電速度 を示します。私たちは、粉末試料においてもこの優れた電池 特性の実現を目指すとともに、大出力リチウムイオン電池と 安価なナトリウムイオン電池の開発研究を行います。
関連する科研費
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