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車載向けのFイオン電池
アニオンレドックス材料が有望

 実用化時期はLi-S2次電池よりも後になるとみられるものの、ポストLIBの有力候補となっているのが、Li過剰系正極やFイオン電池に代表される「アニオンレドックス系」電池である。さらには、Li-S2次電池のエネルギー密度を超えるLi空気2次電池も注目を集めている(最終ページの「空気電池の劣化原因究明、しかし実用化はむしろ遠のく」参照)。

 アニオンレドックス系とは、正極活物質の遷移金属だけでなく、酸素原子(O)を電荷補償に寄与させる、いわば初期の定義の酸化還元によって動作するタイプの電池だ。原理上は金属空気電池に近付き、高いエネルギー密度が見込める。

 横浜国立大学 教授の藪内直明氏の研究室では、遷移金属の一部をLi金属に置換したLi過剰系正極を開発している(図11)。

図11 アニオンレドックス系は従来系よりも高エネルギー密度化が可能
図11 アニオンレドックス系は従来系よりも高エネルギー密度化が可能
アニオンレドックス系正極材料各種の理論容量密度(活物質当たり)と測定値、サイクル特性向上を示した。それらの多くは従来のLIBに使われていたLiCoO2を上回る(a)。Li過剰系正極の課題はサイクル寿命の短さだが、濃厚電解液の活用で改善する例もある(b)。(図:(a)、(b)ともに藪内氏の資料に日経クロステックが加筆)
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 これまでLi過剰系正極は、充放電時にO2が脱離することで結晶構造が崩れやすく、サイクル寿命を確保できなかった。しかし、この課題に対して2つの工夫である程度の改善の見通しが立ってきたという。1つは、ニオブ(Nb)やバナジウム(V)のようなイオン結合性が高い遷移金属の使用である。結晶の安定性が向上し、O2が脱離しにくくなった。もう1つは、遷移金属を溶かす能力が低い濃厚電解液の使用である。V系正極と濃厚電解液を組み合わせて充放電試験を実施したところ、125サイクルでも容量劣化はほとんど見られなかった。

 課題は、NbやVがNiやCoの数倍と高い材料であることだ。