共同発表：大容量の蓄電が可能な「リチウム空気電池」用電極材料の開発～ナノ多孔質グラフェンとルテニウム系触媒が鍵～
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図１　リチウム空気電池とその予想されている反応メカニズム
（ａ） リチウム空気電池の動作原理。
（ｂ） コイン型電池を用いた実物大のリチウム空気電池の写真。
（ｃ） ナノ多孔質グラフェン電極上の化学反応の様子と表面で行われているとされる化学反応式。

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図２　ＲｕＯ２ナノ粒子を挟んだナノ多孔質グラフェン電極
（ａ） ＲｕＯ２ナノ粒子をグラフェンで挟んだナノ多孔質グラフェンを電極として用いた５０サイクル充電前の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。円盤状の過酸化リチウムが生成していることが確認できた。
（ｂ） ＲｕＯ２ナノ粒子をグラフェンで挟んだナノ多孔質グラフェンを電極として用いた５０サイクル充電後の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。
（ｃ） 充電試験後のナノ多孔質グラフェン電極の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像。１００－３００ｎｍの孔サイズを持つ。２－３層のグラフェンに覆われた５ｎｍのＲｕＯ２ナノ粒子が壊れずに存在している
ことが確認できた。
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図３　ＲｕＯ２ナノ粒子をグラフェンで挟んだ窒素ドープナノ多孔質グラフェン電極を用いたリチウム空気電池の充放電特性の試験結果
実験条件：１．０Ｍ（モル濃度）ＬｉＴＦＳＩ／ＴＥＧＤＭＥ（リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド／トリエチレングリコールジメチルエーテル）、電流密度４００ｍＡ／ｇ、電気容量２０００ｍＡｈ／ｇ。


ポイント
リチウムイオン電池の６倍以上の電気容量を持ち、１００回以上繰返し使用が可能な「リチウム空気電池」の開発に成功した。
高性能な多孔質グラフェンと触媒により長寿命と大容量を実現。
１回の充電で５００ｋｍ以上の走行が可能な電気自動車の実現を視野に。


ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業の一環として、東北大学 原子分子材料科学高等研究機構（ＡＩＭＲ）の陳 明偉　教授らは、３次元構造を持つナノ多孔質グラフェン注１）による高性能なリチウム空気電池注２）を開発しました。

現在の電気自動車に使われているリチウムイオン電池の電気容量では、２００ｋｍ程度しか走行できず、走行距離を飛躍的に伸ばすために新しいタイプの大容量の蓄電池の開発が望まれています。

近年、注目されている新しい二次電池の中に「リチウム空気電池」があります。この電池はリチウムイオン電池とは異なり、正極にコバルト系やマンガン系の化合物を用いることなく、リチウム金属、電解液と空気だけで作動し、リチウムイオン電池の５～８倍の容量を実現できるとされています。

陳教授らはこのリチウム空気電池の正極に新たに開発した多孔質グラフェンを使用し、電極の単位重量あたり２０００ｍＡｈの大きな電気エネルギーを持ち、かつ１００回以上の繰返し充放電が可能なリチウム空気電池の開発に成功しました。正極に使用した多孔質グラフェンは、グラフェンの持つ電気伝導性に加えて、大きな空隙を持つことから、大容量の電極材料となりうることに着目したものです。現時点では、少量の貴金属を触媒に使用し、また、充電時の過電圧が大きいなどの課題は残りますが、実験結果を電気自動車の走行距離に換算すると充電１回あたりで５００～６００ｋｍの走行に相当する結果が得られました。今後、さらなる改善を行うことで実用的な電気容量と寿命への到達が期待されます。本研究成果は、２０１５年９月１日（ドイツ時間）に「Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」でオンライン公開されました。

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