ETRI、DGISTは全固体二次電池のための新しい電極構造を開発

- Dec 04, 2020-

ソース: scienmag.com


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クレジット: 電子通信研究所(ETRI)


韓国の研究者は、全固体二次電池の新しいタイプの電極構造を開発しました。この技術を採用すれば、既存技術と比較して電池のエネルギー密度が大幅に増加し、高性能二次電池の開発に大きく貢献する可能性があります。


電子通信研究所(ETRI)と大邱景福工業大学(DGIST)の共同研究チームは、活物質間のファシリティリチウムイオン拡散のメカニズムを特定した後、全固体二次電池の新しい電極構造を設計したと発表した。この成果は、米国化学会(ACS)が運営するエネルギーセクターに特化した国際的なオンライン学術雑誌ACSエナジーレターズ(ACS Energy Letters)によって発表されたときに国際的な評価を受けました。


一度しか使用できない一次電池とは異なり、二次電池は再充電して繰り返し使用できます。近年の電子機器の進歩に伴い、ロボット、電気自動車、エネルギー貯蔵システム(ESS)、ドローンに対する二次電池技術の重要性が年々高まっています。


全固体二次電池は、固体電解質を使用して電池電極内のイオンを輸送する次世代エネルギー貯蔵装置です。固体電解質は、火災を引き起こす可能性のある液体電解質よりも安全です。また、固体電解質をバイポーラ型二次電池*に実装し、電池構成を簡単にすることでエネルギー密度を高めることができます。


従来の全固体二次電池の電極構造は、イオン伝導を担う固体電解質、電子伝導の手段を提供する導電性添加剤からなる。エネルギーを貯蔵する活性材料;そして、物理的および化学的にこれらの構成部品を保持するバインダー。


しかし、ETRIの研究者たちは、黒鉛活物質粒子の間でもイオンが輸送されることを体系的な実験を通じて発見しました。そして、活物質とバインダーのみからなる全固体二次電池用の新しいタイプの電極構造を提案した。研究チームは、電極内に固体電解質添加剤がなくても、全固体二次電池の性能が優れている可能性を確認した。


ETRIが提案した新しい構造の理論的実現可能性は、仮想モデルの電気化学試験(スーパーコンピュータを使用)を通じてDGISTで検証された。ETRIの研究者は、実際の実験でこの構造を実証することに成功しました。ETRIはこの技術を「拡散依存性全固体電極」と名付け、国際誌に論文を提出した。


ETRIの技術を採用すると、固体伝導添加材料は電極に不要になります。代わりに、より多くの活性材料を同じ体積に絞ることができる。つまり、電極中の活物質量は最大98wt%*増加し、その結果、エネルギー密度*は従来のグラファイト複合電極の1.5倍にすることができる。


この技術は、製造工程面でも利点を提供します。高いイオン伝導性と適度な可塑性を有する硫化物型固体電解質※は、全固体電池の製造に有力な候補とされています。しかし、その高い化学反応性*のために、硫化物型固体電解質は、溶媒および結合剤に関しては非常に少数の選択肢を電池開発者に残す。これに対し、新しいETRI電極では、反応性の高い固体電解質が含まれないため、開発者は電池に使用する溶媒とバインダーの種類を自由に選択できます。これにより、研究者は全固体二次細胞の性能を向上させる新しいアプローチを追求することができます。


この研究に携わったYoung-Gi Lee博士は、「有効物質だけでイオンを拡散できることを初めて明らかにしました。既存の全固体二次細胞で使用される構造にはもはや拘束されません。この技術を用いて、高エネルギー密度の二次細胞を開発する予定です。また、コア技術に対する権利を確保し、製品化可能なバージョンに取り組んでいきます。


ETRIは黒鉛カソード活物質を用いて研究を行っていますが、他の電極材料を用いて同じコンセプトに基づいて研究を続けていく予定です。また、効率を高めるために技術を強化することも計画しています。これは電極間の界面問題を除去し、電極の体積を薄くすることによって達成することができる。