新型繊維隔膜がリチウム金属電池の性能を向上、容量を42%増大

ビキタ石を配合した新しいセルロース系隔膜が、リチウム金属電池の高速サイクルへの対応を可能にし、高ニッケル正極 NCM90 の性能も引き上げる。韓国の研究チームは、この隔膜が放電レートが高い条件下で電池容量を高め、リチウム金属負極上でのデンドライト析出の形成も防ぐと明らかにした。CBT と名付けられたこの隔膜は、多孔質のセルロース構造と、沸石鉱物の一種であるビキタ石を組み合わせたものである。両者が一体となってチャネルを形成し、リチウムイオンが電池内をこれまでより均一に移動できるようにする。これはリチウム金属電池にとって極めて重要であり、電池は従来の lithium-ion 電池より高いエネルギー密度を提供できる一方、高い放電レートでの動作は依然困難とされている。

不均一なリチウム析出はデンドライトを発生させる可能性があり、電解質の分解は性能を低下させ、短絡のリスクを高める。

CBT隔膜による性能向上

漢拏国立大学の Yoo Soo Yoo(劉善佑)教授が率いる研究チームは、改良された隔膜が正極側の一つの問題、すなわち高い放電レートが利用可能容量の急減を招き得る現象にも対応することを見出した。CBT隔膜のイオン伝導度は 3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹、リチウムイオン輸率は 0.742 に達する。研究チームは、これらの特性がより高速かつ均一なイオン輸送に関連し、過酷な充放電条件下での分極を低減するとした。1C の放電レートでは、CBT隔膜と従来のポリエチレン隔膜の双方を用いた電池はいずれも約 197 mAh g⁻¹ の容量を供給した。

しかし、より高い放電レートでは、両者の差が拡大する。2C の放電レートでは、CBT隔膜が 187 mAh g⁻¹ を提供するのに対し、従来型隔膜は 165 mAh g⁻¹ にとどまった。4C の放電レートでは、CBT を用いた NCM90 正極が 163 mAh g⁻¹ に達したのに対し、従来型隔膜はわずか 115 mAh g⁻¹ しか得られなかった。これは約42%の改善であり、隔膜が負極の安定性だけでなく正極性能も引き上げ得ることを示している。

改良型隔膜の可能性

劉教授は「我々の結果は、電池性能の向上が新しい正極・負極材料だけに依存するものではなく、隔膜エンジニアリングによっても実現可能であることを示している。特に興味深いのは、改良された隔膜の効果がリチウム金属負極にまで及び、NCM90 正極の高放電性能を顕著に改善したことである」と述べた。この隔膜はリチウム析出の制御にも寄与する。リアルタイム観察では、CBT を用いた電池において可視的なデンドライトの成長は確認されなかった。むしろ、リチウムはより滑らかで緻密な析出層を形成し、剥離過程でも均一に取り除かれた。これらの電池は 2C/4C 条件下で2500サイクル経過後も約60%の容量を保持した。

また、-25 °C(-13°F)下で150サイクルを経過した後でも、この隔膜は約68.9%の容量を維持し、200 °C(392°F)下でも安定性を保つ。

本手法は電極の再設計を不要とし、既存の電池生産ラインへの適応可能性を有する。ただし、商用のパウチ型および円筒形電池での検証がなお必要である。劉教授は「機能性隔膜は、単に二つの電極を分離する障壁として、あるいはリチウム金属負極を保護するためのものとしてのみ捉えるべきではない。電池内のイオン輸送を制御することで、次世代電池が高エネルギー密度と高放電性能を同時に実現する上での重要な設計要素となり得る」と強調した。この研究は『Advanced Functional Materials』誌に掲載された。

項目	仕様
イオン伝導度	3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹
リチウムイオン輸率	0.742
2C サイクル容量	187 mAh g⁻¹
4C サイクル容量	163 mAh g⁻¹

新型隔膜が電池技術に与える影響

CBT隔膜の開発は、リチウム金属電池の性能向上における隔膜エンジニアリングの重要性を示している。従来の電池設計は電極材料のみに焦点を当てることが多かったが、本研究は電池運転の安定性と性能に対する隔膜の決定的な役割を強調する点にある。隔膜を改良することで、電池容量の増大だけでなくリチウム析出の制御やデンドライト形成の抑制も可能となり、高エネルギー密度電池の商業化にとって極めて重要である。本技術の成熟に伴い、将来は多様な電池型式での広範な応用が期待される。