ハーバード大学工学部応用科学科（SEAS）の研究者チームは、未来のエネルギー・ソリューションに向けた大きな飛躍として、前例のない寿命を持つ上に10分でフル充電が可能な急速充電性能を備えた画期的な全固体電池を発表した。この新しいバッテリーは、リチウム金属負極を使用しており、市販のグラファイト負極の10倍の容量を誇るという。

「我々の研究は、産業用・商業用のより実用的なソリッド・ステート・バッテリーに向けた重要な一歩です」と、SEASの材料科学准教授で、論文の主執筆者であるXin Li氏は述べている。

革命的な負極と安定性

全固体電池は、、従来のリチウムイオン・バッテリーの液体をポリマーやハイテク・セラミックなどの固体材料に置き換えたもので、夢の充電池と考えられている。リチウムイオンを固体の中を移動させるのは困難な技だが、その見返りに航続距離の延長と充電時間の短縮が期待出来る。

従来、リチウム金属負極電池の不安定性は重要な課題があった。それが負極表面にデンドライト（樹状突起）が形成されることである。デンドライトとは、リチウムイオン電池の負極に発生するシダのような小さな突起のことである。デンドライトは電解液中に根を張るように成長し、負極と正極を隔てるバリアを突き破り、バッテリーの性能を妨げ、発火の危険性を高めるものだ。

これらデンドライトは、充電中にリチウムイオンが正極から負極に移動し、メッキと呼ばれるプロセスで負極表面に付着することで形成される。負極のメッキは、歯の歯垢のような不均一で均質でない表面を作り、デンドライトを根付かせる。放電時には、こうして出来たコーティングを陽極から剥離する必要があり、コーティングが不均一な場合、剥離プロセスに時間がかかり、次の充電でさらに不均一なコーティングを誘発してしまうという厄介なものだ。

Li氏と彼のチームは、2021年にデンドライトの形成する方向を制御して封じ込める方法を考案したが、今回発表された彼らの最新の成果はデンドライトの形成を完全に阻止するもので、これまでにない画期的な成果と言える。

Li氏らはリチウム化反応を抑制し、厚いリチウム金属層の均質なメッキを促進するために、陽極にミクロンサイズのシリコン粒子を使用することで、デンドライトの形成を阻止している。

「私たちの設計では、リチウム金属がシリコン粒子を包んでいます。チョコレートトリュフでヘーゼルナッツの芯を包む硬いチョコレートの殻のようなものです」とLi氏は説明する。

この設計では、充電中にリチウムイオンが正極から負極に移動するとき、リチウム化反応は浅い表面で制限され、イオンはシリコン粒子の表面に付着するが、それ以上には浸透しない。これは、リチウムイオンが深いリチオ化反応によって浸透し、最終的に負極のシリコン粒子を破壊する液体リチウムイオン電池の化学的性質とは著しく異なる。

この戦略的な挿入により、デンドライトの形成が効果的に抑制され、正極へのダメージが防止され、より安全で迅速な充電プロセスが保証されるという。

検証のため、研究者らは切手サイズのパウチ電池を作った。徹底的な試験の結果、この小型プロトタイプ・バッテリーは、6,000回の充放電を繰り返しても80％の容量を維持するという驚くべき能力を実証した。この卓越した性能は、現在市販されている他のパウチ電池よりも優れていた。

この成果は電池技術における重要なマイルストーンと言える。この画期的な技術は、ハーバード大学のスピンオフ企業であるAdden Energy社にライセンスされ、この進歩を商業化する予定である。

また、Li氏らは今回のシリコンのように、同様の性能が得られるような他の電池材料も探っていく予定だという。「これまでの研究で、銀をはじめとする他の材料が、固体電池の負極に適した材料として機能することが分かっていました。われわれの研究は、このプロセスの根底にある可能性のあるメカニズムのひとつを説明し、電池設計のための新しい材料を特定する道筋を提供するものです」と、Li氏は述べている。

論文

• Nature Materials: Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials

参考文献

• Havard Office of Technology Development: Solid state battery design charges in minutes, lasts for thousands of cycles
• via Electrek: Harvard develops a solid state battery that charges in minutes

研究の要旨

負極におけるリチウム（Li）と材料との界面反応は、全固体環境ではよく理解されていない。本論文では、このような界面における材料の収縮感受性という新しい現象を明らかにする。この現象を利用することで、厚いLi金属層の迅速なめっきと剥離を可能にする活性な三次元足場の設計が容易になる。ここでは、よく知られたアノード材料であるシリコン（Si）に焦点を当て、従来の固液界面における強力なLi-Si合金化ではなく、マイクロメートルサイズのSiのリチウム化反応が固液界面で著しく制限され、反応誘起の拡散制限プロセスによってSi粒子の薄い表面サイトでのみ起こることを実証する。Si、銀（Ag）、およびマグネシウム（Mg）の合金で表される、我々の制約付きアンサンブル計算アプローチによって予測される負極材料の表面リチウム化とLiめっきの間の動的相互作用は、固体電池の応用に関して重要な、高い面容量でLi金属を高速サイクルさせるための電流密度をより均質に分布させることができる。