韓国のシリコン電池研究、ゲル電解質でEVの航続距離1,000キロを目指す

ゲルがシリコンの蓄電量を高める

韓国の浦項工科大学（POSTECH）の研究者らは、大学の発表によると、安定した性能を保ちながらエネルギー密度を約40％高めるシリコン・ゲル電池システムを開発した。2024年2月2日に発表されたこの研究では、直径5マイクロメートルのシリコン粒子と電子線を使い、充放電のたびに材料が膨張・収縮することへの耐性を高めている。

研究の狙いは、電気自動車（EV）が1回の充電で1,000キロメートル走行できるようにすることだ。POSTECHはこの距離を研究目標として掲げている。大学の発表が説明しているのは電池システムの研究成果であり、車両での実証、商用化の時期、価格はまだ明らかにされていない。

POSTECH化学科のパク・スジン教授、博士課程のミンジュン・ジェ氏、ソン・ヘビン博士がこの手法を開発した。研究論文は2024年1月17日、大学が研究成果を発表する前に、学術誌「Advanced Science」のオンライン版に掲載された。

中核となる発想は、大きな蓄電容量を持つ材料を使いやすくすることだ。シリコンは、電池の負極に一般的に用いられる黒鉛より多くのリチウムを蓄えられるが、充電中に大きく膨張する。POSTECHの研究チームは化学結合によってシリコン粒子を弾力性のあるゲルに結び付け、構造が膨張・収縮に対応できるようにした。

ドライバーにとっての利点は明快だ。電池により多くのエネルギーを蓄えられれば、充電のために停車する間隔を延ばせる可能性がある。電池メーカーにとっては、比較的安価なシリコン粒子を使いながら、安定した動作を損なわないという課題への取り組みとなる。

シリコンの利用が難しい理由

シリコンは蓄電性能に優れる一方、機械的な問題を抱えている。POSTECHによると、充電中にシリコンは元のサイズの3倍超に膨張し、電池の放電に伴って収縮する。この動きが繰り返されると、電極とその周辺材料に負荷がかかる。

負極は電池を構成する2つの電極の一つだ。充電時にはリチウムイオンが電解質を通って負極に入り、そこでエネルギーが蓄えられる。電池の使用時にはこの過程が逆になる。電解質はイオンを移動させると同時に、電極構造が充放電を繰り返しても機能し続けられるようにしなければならない。

研究者らはこれまで、負荷を抑えるために極めて小さなシリコン粒子を使うことが多かった。POSTECHは、ナノスケールのシリコン製造は複雑で費用がかかると説明している。マイクロスケールのより大きな粒子は、製造コストとエネルギー密度の面で利点がある一方、膨張への対応は難しくなる。

POSTECHの実験で使われた粒子の直径は5マイクロメートル、つまり100万分の5メートルだった。大学によると、従来のナノスケールのシリコン負極に使われていた粒子の約100倍の大きさという。これは大学の公式発表に記された具体的な比較であり、研究の初期説明で示された1,000倍という数値とは異なる。なお、マイクロメートルはナノメートルの1,000倍の長さだ。

ゲルと電子線の仕組み

POSTECHの研究チームは、大きなシリコン粒子とゲル状の高分子電解質を組み合わせた。高分子とは、長い分子鎖からなる材料のことだ。この電池では、高分子の弾力性のある構造が、リチウムイオンの移動を可能にしながら、シリコンのサイズ変化に電解質が対応するのを助ける。

次に研究者らは電子線を使い、シリコン粒子とゲルの間に共有結合を形成した。共有結合は、原子が電子を共有することで生じる化学結合だ。ここではシリコンが膨張・収縮する際に生じる内部応力を分散させる役割を果たす。

この手法では、シリコンとその周囲の電解質を一体的な構造として扱う。粒子を小さくすることだけに頼らず、粒子と周囲の材料との結び付き方を変えた。POSTECHは、こうした結合と、ゲルが動きに対応できる性質が構造の安定性につながったとしている。

チームを率いるPOSTECH化学科のパク教授は、この成果について、シリコンの蓄電能力を実用化するための前進だと述べた。

マイクロシリコン負極を使いながら、安定した電池を実現しました。この研究は、高エネルギー密度のリチウムイオン電池システムの実用化に近づく一歩です

大学によると、ゲルシステムのイオン伝導度は、液体電解質を使う従来型電池と同程度だった。イオン伝導度は、帯電粒子が材料中をどれだけ移動しやすいかを示す。電池の充電時や電力供給時にイオンが流れるため、電解質がこの移動を十分に支えることが重要だ。

エネルギー密度40％向上が航続距離にもたらす意味

POSTECHは、シリコンとゲル電解質を組み合わせたシステムでエネルギー密度が約40％向上したと報告している。エネルギー密度とは、電池が質量または体積に対してどれだけのエネルギーを蓄えられるかを示す指標だ。エネルギー密度を高めれば、電池をそれに比例して重く、あるいは大きくすることなく、より多くのエネルギーを搭載できる可能性がある。

大学の発表では、EVの航続距離の目安として約700キロメートルを挙げ、研究者らが目指す距離を1,000キロメートルとしている。700キロメートルから1,000キロメートルへの延伸は300キロメートルで、約43％の増加に当たる。

この数字から、エネルギー密度が40％向上する意義が分かる。単純な例として、700キロメートルに40％を上乗せすると980キロメートルとなり、目標に近い。ただし、この計算は車両のエネルギー消費率が変わらず、電池の使用可能なエネルギー量も同じ割合で増えると仮定している。

実際の航続距離は、車両の重量、効率、速度、気温、電池パックの設計にも左右される。実用化に向けては、材料の蓄電性能の利点を電池全体に生かし、さらに車両へとつなげる必要がある。POSTECHが報告した安定動作、大きなシリコン粒子、同程度のイオン伝導度という組み合わせは、この課題の複数の側面に同時に取り組むものだ。

別の研究はシリコンの保護層に着目

アイミン・リー氏とチュンシェン・ワン氏らが参加した別の研究チームは、2024年2月8日、「Nature Communications」に研究論文を発表した。この研究でも直径5マイクロメートルのシリコン粒子を使ったが、異なる解決策を採用した。シリコンの動きに耐える保護表面層を形成する液体電解質の開発だ。

論文では、容量低下の主な原因の一つとして、固体電解質界面（SEI）の損傷を挙げている。これは負極表面に形成される薄い保護層だ。ひびが入ると液体電解質が損傷したシリコン粒子に入り、再び反応することがある。その結果、新たな層が形成され、電気的な接触が損なわれる。

リー氏らは、フルオロエチレンカーボネート、スルホラン、フッ素化エーテルのTTEを含む電解液を設計した。この配合により、4.3ボルトで動作する電池が実現し、フッ化リチウムと酸化リチウムを豊富に含む保護層が形成される。

著者らはこの層を「シリコン忌避性」と説明している。つまり、その下にあるリチウムとシリコンの材料に弱く結び付くということだ。結び付きが弱いため、保護殻自体にかかる負荷を抑えながら、その内部でシリコンが膨張・収縮できる。一方、POSTECHの手法は、シリコンと弾力性のあるゲルを強い化学結合でつなぎ、応力を分散させる。

つまり2つの研究は、同じ膨張・収縮の問題に対し、異なる境界面から取り組んでいる。一方はシリコンを柔軟な周囲構造に結び付け、もう一方は結び付きの弱い保護層の内部でシリコンが動けるようにする。

別チームの実験で測定された性能

「Nature Communications」の研究によると、このシリコン負極は1グラム当たり2,175ミリアンペア時の容量を、250サイクルを超えて維持し、クーロン効率は99.8％だった。グラム当たり容量は、材料の一定質量が蓄えられる電荷量を示す。サイクルとは、充電と放電を1回行うことだ。

クーロン効率は、充電時に蓄えた電荷量に対する放電時に取り出せる電荷量の割合を示す。99.8％の場合、測定された1サイクル当たりの差は約0.2％となる。望ましくない反応が繰り返されると、時間とともに電荷や材料が消費されるため、この差を小さく保つことが重要だ。

チームは公称容量100ミリアンペア時のパウチ型電池も試験した。正極材料1グラム当たり172ミリアンペア時の容量を120サイクルにわたり維持し、クーロン効率は99.9％を上回った。パウチ型電池は、柔軟な外装の中に電池部品を収めたものだ。

これらの測定値は、液体電解質を用いた設計について、電極容量、効率、サイクル性能を示している。一方、POSTECHが掲げる主な成果は、ゲルシステムによるエネルギー密度の約40％向上だ。どちらの研究も、より大きなシリコン粒子をリチウムイオン電池で実用化するための異なる測定結果を示している。

論文発表から製造へ

POSTECHは、製造工程が簡便で、実用化に適していると説明している。より大きなシリコン粒子を使うことでナノスケール粒子の製造に伴うコストと複雑さに対応し、電子線によって一体構造に必要な結合を形成する。

大学の発表によると、研究は韓国国家研究財団の独立研究者プログラムの支援を受けた。発表の経緯からは、同じ時期に行われたシリコンの膨張問題解決に向けた別の取り組みとの関連がうかがえる。

• 2024年1月17日：POSTECH研究チームの論文が「Advanced Science」のオンライン版に掲載。
• 2024年2月2日：POSTECHがシリコン・ゲル電解質の研究成果と、車両の航続距離1,000キロメートルを目指す方針を発表。
• 2024年2月8日：「Nature Communications」が直径5マイクロメートルのシリコン粒子に液体電解質を用いた別の研究を掲載。

両研究に共通する実用上の利点は、シリコンが豊富に存在し、蓄電容量が大きいこと、そして粒子を大きくすれば製造上の課題を減らせる可能性があることだ。シリコンの動きに周辺材料が耐えられるようにすることが、こうした利点を、繰り返し使っても実用的な容量を保つ電池につなげる鍵となる。

要点

• POSTECHは、シリコンとゲル電解質を一体化した電池システムで、エネルギー密度が約40％向上したと報告。
• 研究者らは電子線で化学結合を形成し、シリコンの膨張・収縮に伴う応力の分散を図った。
• 安定動作を実現したシステムには直径5マイクロメートルの粒子を使用。POSTECHは、従来のシリコンナノ粒子の100倍の大きさとしている。
• 車両の航続距離1,000キロメートルは研究目標であり、大学の発表は電池開発に焦点を当てている。
• 「Nature Communications」に掲載された別の研究では、液体電解質と保護表面層を用い、シリコン負極が250サイクルを超えて動作したと報告。