リチウム硫黄電池が切り拓く未来
2021年12月時点の内容です
リチウム硫黄電池は民生用リチウムイオン電池を超える理論エネルギー密度を持ち、ポスト・リチウムイオン電池として注目が集まっています。SDGsの達成、脱炭素社会の実現に向けて、リチウム硫黄電池研究の第一人者であり、イオン液体を用いたリチウムイオン電池の動作を世界で初めて成功させた関西大学 化学生命工学部 教授の石川正司氏に次世代電池の現状と今後の展望についてお伺いしました。
【インタビュアー】
池田 勝紀 (株式会社東陽テクニカ 理化学計測部 部長)
リチウム硫黄電池とは
リチウム硫黄電池とはどのような電池なのか教えてください。
リチウム硫黄電池は軽量、大容量を特長とした蓄電池です。硫黄の理論容量1,672mAh/gはリチウムイオン電池の約10倍となり、航空機への搭載を含めてさまざまな用途への応用が期待されています。私が取り組んでいる研究では、リチウム硫黄電池は負極に金属リチウム、正極に2nm以下の孔が空いたミクロ多孔性カーボンの中に硫黄を溶融させて閉じ込めたものを使用しています。硫黄は一つの硫黄に対して二電子をとることができるので、一電子あたりの重量は周期表の中で理論上一番軽い正極固体物質になります。資源戦略的にも問題なく環境にも優しい。リチウムを使用していますが全体的なコストはリチウムイオン電池と比較して低いと言えます。
他方、電圧は平均2ボルトで、リチウムイオン電池の平均3.7ボルトと比較すると明らかに低い。また、硫黄が正極から電解液に溶出してしまう問題があります。硫黄は10¹⁵Ω・mもの高抵抗で全く電気が流れない真性の絶縁体なので、電極材料として硫黄を使うためにはさまざまな工夫が必要となります。
具体的にはどのような工夫が必要なのでしょうか？
私は文部科学省管轄のJST-ALCA(国立研究開発法人科学技術振興機構 先端的低炭素化技術開発)プロジェクトで2013年からリチウム硫黄電池の研究を始めましたが、当時、炭素材料をうまく利用すれば電子伝導性が極めて低い硫黄を使いこなすことができるのではないかと考えていました。“マイクロポーラスカーボン”、言い方を変えると“ミクロ孔を持っている炭素材料”は、硫黄を閉じ込めることで硫黄の低い電子伝導性を補うことができます。特にミクロ孔に硫黄を蓄えることで電解液との接触を防ぎ、結果として硫黄の反応中間体の溶出を防ぐことができる。この炭素技術により、リチウム硫黄電池のエネルギー密度を年々進歩させ、2021年で8年経過しましたが、プロジェクトの目標値をほぼ到達できる見通しが立った状況です。
“温室効果ガスの排出量を実質ゼロにする”という脱炭素社会実現に向けて、リチウム硫黄電池が果たす役割、社会的な位置づけを教えてください。
前述のプロジェクトを開始した頃は自動車用途への展開も検討しましたが、自動車用途は一番制約が大きく軽量、大容量に加えて高入出力が求められます。自動車では30分ですら充電時間として長く感じると思いますが、急速充放電を行うためには高い入出力特性が必要となります。しかし、電気が流れない硫黄を使っているため高入出力の実現は基本的に難しく、現時点ではリチウム硫黄電池では求められる高入出力は期待できません。現在、プロジェクトの出口として“分散型電力貯蔵”を検討しています。例えば、夜間の電力活用では8時間で充放電する程度の速度で使用するため、電気自動車のような高入出力は必要なくハードルは下がります。
また、今まで蓄電システムとして家庭や事業所規模で使われているものとして鉛バッテリーがありますが、鉛バッテリーは重くて危険なので高所に設置することが法律で規制されています。軽量なリチウム硫黄電池ならビルの屋上や空いているスペースで使うこともできます。
リチウム硫黄電池に、“ポスト・リチウムイオン電池”としてのポテンシャルはありますか？
先ほどお話しした通り定置用電力貯蔵用途が現実的な出口ですが、軽量なので自動車や航空用途が“その先の出口”として求められており、リチウム硫黄電池も候補の一つと考えられています。大容量と高入出力を両立させるハードルは高いですが、現在、経済産業省所管のNEDO (国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)プロジェクトでは、航空機用途を出口として大容量と高入出力を両立させる研究を行っています。
このプロジェクトでは前述のミクロ多孔性炭素ではなくメソ多孔性炭素を使用しています。IUPAC (国際純正・応用化学連合)の定義ではミクロ孔は2nm以下で、ちょうど電解液に溶出しない孔のサイズになります。他方、メソ孔は4-5nm程度の大きな孔で、電解液と触れてしまいますが、硫黄化合物が溶出しないような保護膜を作ることで対処しています。なぜ大きな孔の炭素を使うのかというと、炭素と硫黄の割合を考えた場合、孔が大きい方が硫黄を増やすことができるからです。実際、ミクロ孔の炭素材料ではプロジェクトスタート時は硫黄量が30%か40%くらいしか入らず、8年かけて最近75%まで入れられるようになりました。しかし、メソ孔の炭素材料では、プロジェクトスタート時の硫黄量が60%でしたので、ひょっとしたらもっと硫黄を増やせるかもしれないと期待しています。
航空機に搭載するために求められるハードルを教えてください。
エネルギー密度を極端に高くしないといけません。ゴールに到達するまでに新しい技術が複数必要で、我々が現時点で押さえている技術だけでは無理かもしれません。現在、文部科学省のプロジェクトでエネルギー密度の目標が350Wh/kgですが、2030年以降には最終的に1,000Wh/kgが必要とされています。この数値を達成できないと小型旅客機を電気だけで飛ばすことはできません。当たり前ですが、飛行機は一旦離陸すると「あ、まずい、ガソリンスタンドに行こう」というわけにいきません。普通の航空用ガソリンを積んでいる飛行機も緊急着陸をするために、目的地から引き返せるくらいの燃料を積んでいないといけません。加えて、航空機に搭載するには安全性の担保が必要ですが、まずはエネルギー密度をどこまで伸ばせるかに注力しています。
イオン液体を搭載したリチウムイオン電池
イオン液体を搭載したリチウムイオン電池（以下、イオン液体電池）について教えてください。
