ＬｉおよびＮａイオン電池正極として のネットワークポリマー 筑波大学 数理物質系 教授 守友 浩 1 既存正極材料 層状岩塩構造 オリビン スピネル 特徴 1.出入口が狭く、リチウムイオンの出入 りが遅い 2.リチウムイオンの出し入れに対して構 造が変化する 2 2 ネットワークポリマー材料 CN- 5A Li, Na, K, Rb, Cs 構造が推察される特徴 1.出入口が大きく、アルカリ金 属の出入りが早い 2.アルカリ金属の出し入れに 対して骨格が堅固 Fe Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Cd 3 3 従来技術とその問題点1 リチウムイオン二次電池は、スマートフォンや ノートＰＣ等に既に実用化されている。しかしな がら、 放電レートが遅い（出力が小さい） 充電レートが遅い（充電に時間がかかる） 等の問題があり、より広い用途への展開の妨げ となっている。 4 新技術の特徴・従来技術との比較1 • ネットワークポリマーに着目し材料開発を行っ たところ、μm程度の大きな結晶粒であっても 数100Cという高速レートでの充電・放電が可 能 • 結晶粒を数百nmまで小さくすると、3000Cと いう高速レートでの放電が可能 • 高速レートにも関わらず、サイクル特性も良好 5 1μm級材料の特性曲線のレート依存性 Voltage (V) 4 (b) L = 1.2 m 0.2C 48C 160C 3 340C 670C 0 50 100 Capacity (mAh/g) EC/DEC LiClO4, 1 mol/l Anode Li 6 Voltage (V) 0.1μm級材料の特性曲線のレート依存性 4 (c) L = 0.12 m 71C 2C 740C 3 6000C 3000C 0 50 100 Capacity (mAh/g) EC/DEC LiClO4, 1 mol/l Anode Li 7 0.1μm級材料の容量のサイクル依存性 L = 0.12 m, 3000 C 100 3 50 V (V) Capacity (mAh/g) LixMn[Fe(CN)6]0.813.0H2O 1st 30th 2 0 0 50 100 Capacity (mAh/g) 10 20 Cycle Number 30 EC/DEC LiClO4, 1 mol/l Anode Li 8 高出力LIBへの展開 三菱テクノリサーチ 大学知財群設定検討資料より 9 想定される用途１ • 大出力蓄電池 • 高速受電を活かしたICカード組み込み電池 実用化に向けた課題１ • 大規模蓄電池を実現するには、電極性能を落 とさずに活物質を粉末化する必要がある。 • 高速蓄電池を実現するには、レート特性のよ い負極材を開発する必要がある。 10 本技術に関する知的財産権1 • 発明の名称 ：バインダーフリー電池およ び電池用のバインダーフリー正極材材料 • 出願番号 ：特願2011-060503 • 出願人 ：筑波大学 • 発明者 ：守友 浩、松田智行 11 従来技術とその問題点２ リチウムイオン二次電池は、スマートフォンや ノートＰＣ等に既に実用化されている。しかしな がら、電池残量は電位で評価するが、66%10%の領域では特性カーブがフラットで精度が 出ない。また、特性カーブは温度や劣化によっ て変化してしまう。 12 新技術の特徴・従来技術との比較２ • 導電助剤とバインダーを含まない薄膜電極を 用いることにより、活物質の色を見ることが可 能 • 遷移金属を変えることにより、色を自由に選択 • スケルトン型電池として新しい良品価値を創 造 • 高速充電が可能なので、ICカードとの相性は 抜群 13 カラー電池の可能性 充電状態 ITO付きPET M=Ni 放電状態 M=Co M=Mn M=Cd PBA 電解液 グラファイト アルミ箔 スペーサー(白色) 電池概念図 高い放電速度 Ni Co Mn Cd EC/DEC LiClO4, 1 mol/l Anode Li 想定される用途2 • 高速受電を活かしたICカード組み込み電池 • 小型家電用のスケルトン型蓄電池 実用化に向けた課題2 • 高速充電を実現するには、レート特性のよい 負極材を開発する必要がある。 16 本技術に関する知的財産権2 • 発明の名称 ：バインダーフリーなリチウ ムイオンカラー電池 • 出願番号 ：特願2011-265920 • 出願人 ：筑波大学 • 発明者 ：守友 浩、松田智行 17 従来技術とその問題点３ リチウムイオン二次電池は、スマートフォンや ノートＰＣ等に既に実用化されている。しかしな がら、リチウムは輸入に頼っている元素である。 さらに、車載用電池や大型蓄電池への応用に より、その消費量が世界的に急速に増加すると 考えられる。安価かつ自国で生産できるナトリ ウムイオン電池への展開は急務であると思わ れる。 18 新技術の特徴・従来技術との比較3 • ネットワークポリマーに着目し材料開発を行っ たところ、ナトリウムイオンに対しても100Cと いう高速レートでの放電が可能（既存材料の 最高は数C程度） • 容量は110mAh/g （既存材料の最高値は 100mAh/g程度） • サイクル特性も良好 19 Voltage (V) 材料の特性曲線のレート依存性 4 NaxMn[Fe(CN)6]0.81 50C 20C 3 10C 100C 0 50 100 Capacity (mAh/g) PC LiClO4, 1 mol/l Anode Na 20 想定される用途3 • ナトリウムイオン二次電池 • 家庭用またはスマートグリッド用大型蓄電池 実用化に向けた課題3 • 大規模蓄電池を実現するには、電極性能を落 とさずに活物質を粉末化する必要がある。 • 高速蓄電池を実現するには、ナトリムイオン 電池用負極材を開発する必要がある。 21 本技術に関する知的財産権3 • • • • 発明の名称 ：ナトリウムイオン電池 出願番号 ：特願2012-013469 出願人 ：筑波大学 発明者 ：守友 浩、松田智行 22 企業への期待 • 電極性能を落とさずに活物質を粉末化する技 術開発の共同研究 • カラー電池実用化への共同開発 23 産学連携の経歴 • 2011年 JST研究成果最適支援プログラム（ASTEP）「カラー電池素子の開発」に採択 24 お問い合わせ先 筑波大学 数理物質系 教授 守友 浩 ＴＥＬ 029 － 853 － 4337 ＦＡＸ 029 － 853 － 4337 e-mail moritomo＠sakura.cc.tsukuba.ac.jp （事務支援） 研究推進部産学連携課（産学交流） 坂本正己 ＴＥＬ 029-853-2906 ＦＡＸ 029-853-6565 E-mail [email protected] 25
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