科學研究 - 豐橋技科大成功製作出大容量長壽命全固體鋰硫二次電池的正極複材

＜概要＞

日本的豐橋技術科學大學電氣電子資訊工學系的松田厚範教授、武藤浩行教授、引間和浩助教、Nguyen Huu Huy Phuc特任助教、松田麗子研究員及前田隆貴（博士前期課程）等人，利用成本低而且簡便的液相工藝，製作了硫活性材料與碳奈米纖維（CNF）的複材。使用該工藝獲得的硫-CNF複材製作的全固體鋰硫電池，顯示出了比現有鋰離子二次電池更高的放電容量和更出色的充放電循環穩定性，在純電動車和大型電流源用蓄電池等領域備受期待。

硫-碳複材的示意圖和電子顯微鏡照片（上部），全固體硫電池的構造和充放電循環特性（下部）

＜詳情＞

鋰離子二次電池作爲智慧型手機和純電動車等的電流源得到廣泛利用。另外，近年來，隨着純電動車的普及，作爲取代現有鋰離子二次電池的新一代蓄電池，擁有高安全的全固體電池受到關注。尤其是正極活性材料使用的硫，與現有鋰離子二次電池使用的正極活性材料相比，擁有5倍以上的理論能量密度，因此，有望實施採用硫的高能量密度全固體電池。不過，硫是絕緣體，需要透過添加導電助劑來形成電子傳導路徑。

研究團隊利用可在溶液中均勻結合的靜電吸附復合法，復合了硫活性材料和碳奈米纖維（CNF），製作出了正極複材。然後利用該硫-CNF複材和此前確立了液相合成法的Li₂S-P₂S₅-LiI系固態電解質及鋰金屬負極，製作了全固體鋰硫電池。製作的電池的容量與硫-CNF複材正極的理論容量不相上下，反復充放電後也保持了高容量。

要想製作具有優異電池特性的硫-碳正極複材，需要適當結合硫和碳材料。以前提出了使用球磨機等進行機械粉碎混合的復合化方法，以及利用特殊有機溶劑與比表面積較大的碳材料進行復合的方法，但幾乎沒有報告過實施與硫的理論容量基本相同的高容量以及高循環穩定性的電池。因此，研究團隊利用成本低、簡便而且可透過液相法均勻復合奈米材料的靜電吸附復合法，製作了硫-碳複材。經應答，利用此次開發的工藝獲得的硫-碳複材，硫以薄膜狀聚集在碳上，由此推測，硫作爲活性材料得到了充分利用。而且與以往的工藝相比，能以非常低的成本簡單製作。

這項研究使用的靜電吸附法是指，利用聚合物電荷電解質調節母粒和要吸附的顆粒的表面電荷，透過二者之間產生的靜電相輔作用進行靜電吸附的方法。已經使用氧化物材料證明，可實施各種組合（材料種類、形狀、尺寸）的復合化。一般來說，很難單獨調節硫的電荷，但透過使Na₂S和S在進行了離子交換的水中發生反應合成Na₂S₃，並使其以離子形態存在於水溶液中，成功調節了電荷，最終促成了硫-CNF複材的開發。也就是說，該研究利用作爲基礎的靜電吸附法的原理構建了化工技術，這一點正是學術上的有趣之處。