二次電池の需要は、携帯型電子機器や定置用蓄電池などの民生用途に加え、EVなどの車載用途で急速に拡大している。一方、EVや産業用ドローンのさらなる航続距離拡大や将来のUAMの実用化に向けて、二次電池にはますますの軽量化・高エネルギー密度化が求められている。
二次電池の中でも特に、正極に空気極、負極に金属リチウムを使用するリチウム空気電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して軽量かつ理論重量エネルギー密度が10倍以上と最も高いことから注目されている。しかしながら、このリチウム空気電池に一般的なセパレータである微多孔フィルムを使用すると、充放電の繰り返し時に正極と負極に使用されている異なる2種類の電解液が混合し、電池が劣化しやすくなる課題があった。また、充電時にリチウムデンドライト3)が析出成長してセパレータを突き破り、正極と負極がショートすることにより安全性が低下する課題もあった。
これらの課題に対して東レは、長年培ってきた高耐熱アラミド4)ポリマーの分子設計技術を駆使し、リチウムイオンがホッピング5)で移動可能な新規ポリマーを設計し、これにLi塩を複合化することで、無孔でありながら電池作動を可能とする3×10-5S/cmと高いイオン伝導性を実現した無孔イオン伝導ポリマー膜を創出した。本開発品は、無孔であることにより、2種の電解液分離性とリチウムデンドライト抑制が原理的に達成が可能。
本イオン伝導ポリマー膜を適用したリチウム金属電池は、充放電サイクルにおいて、微多孔フィルム対比10倍以上の安定した電池作動時間を確認している。今後、リチウム空気電池の開発をはじめとする次世代二次電池分野への展開を目指し、早期の技術確立に向けて研究開発を加速していく。
なお、本技術の一部は、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成事業(JPNP21005)によって得られた成果である。
1）空気電池：正極の活物質（電子の受け渡しをする物質）に酸素、負極の活物質に金属を用いる電池のこと。
2）UAM：アーバン・エア・モビリティの略称であり、空を使って人や物を輸送する新しい都市交通システムの総称。
3）リチウムデンドライト：電池の充電によって結晶成長するリチウムの樹枝状結晶。リチウムデンドライトが成長すると、バッテリー性能の劣化や内部でのショートを引き起こすことがある。
4）アラミド（芳香族ポリアミド）：優れた耐熱性と剛性を有する高機能ポリマーで、フィルム分野においては東レが世界で唯一、ミクトロンブランドで製品化している。量産フィルムで最高の剛性を活かしてデータ保存テープとして広く使用されている他、ポリイミドに次ぐ耐熱性を有することから薄膜の回路材料にも採用されている。
5）ホッピング：リチウムイオンが、膜中に形成された隣接するサイト間をジャンプして移動するイオン伝導のこと。