韓国・東国大の研究チーム、厚さ2.77μmのアノードレス全固体電池を開発 エネルギー密度235Wh/L

韓国の東国大学の研究チームは、全体の厚さがわずか2.77μmの薄膜型全固体電池を開発した。ウェアラブル機器や超小型センサー、医療機器など、従来の電池では大きすぎて搭載が難しい分野での活用が見込まれるという。開発の最大の特徴は、スズと炭素による特殊なコーティングで、電池内部でのリチウムの分布を制御し、充放電に伴うリチウムの損失を抑える点にある。

研究は、エネルギー・材料科学科のヒョン・ソク・キム教授のグループが進めた。対象としたのは、アノードレス全固体電池が抱える主要な課題の一つである。この方式では液体の電解質を固体材料に置き換えるとともに、独立した負極(アノード)を設けない。初回充電時に正極からのリチウムが集電体の上に直接析出し、セル内部で負極が形成される仕組みである。この構造は製造工程を簡素化でき、体積エネルギー密度の向上にもつながる。

一方で、充放電を繰り返すとリチウムが不均一に析出することがある。金属の一部が集電体との電気的な接触を失い、いわゆるデッドリチウムとなるほか、放電時には一部が固体電解質から剥離する場合もある。その結果、利用可能なリチウムの量が徐々に減少し、電池の性能や寿命が低下する。

この問題に対処するため、研究チームは炭素層や金属層を含む複数のコーティングを集電体に施して比較した。最も優れた結果を示したのは、銅の基材上に形成したスズと炭素の二層構造であった。

さらに、チームは処理を施した集電体の上に、金属リチウムの薄い層を追加した。あらかじめリチウムを補給するこの工程はプレリチオ化と呼ばれ、金属の追加的な蓄えをつくることで、動作初期のサイクルで生じる損失を補う。初回充電時には、コーティング内部にスズとリチウム・スズ合金からなる三次元構造も形成される。研究者らは、この構造が後続のサイクルで生じる材料の体積や形状の変化を吸収し、層同士の接触を保つのに寄与するとみている。

完成した電池は、バナジウムとリチウムの酸化物を用いた正極、リン酸リチウム酸窒化物(LiPON)の固体電解質、そして新たなコーティングを施した銅の集電体で構成される。全体の厚さは2.77μmで、100回の充放電サイクル後に235.13Wh/Lの体積エネルギー密度を示した。人間の髪の毛の太さは一般に50〜100μmとされており、この電池は髪の毛より約18〜36倍薄い計算になる。