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セパレータを用いない新構造を採用したリチウムイオン二次電池を開発【東芝】
2018年6月4日
出力と容量を同時に高める新技術で、電池性能を向上
当社は、リチウムイオン二次電池の絶縁体として一般的に使用されるセパレータを用いない、新構造のリチウムイオン二次電池を開発しました。電極材料の表面を樹脂製の極薄ナノファイバー膜で覆ったSkin-Coated Electrode（SCdE）を用いて、電極間の距離を極限まで近づけることで入出力と容量を同時に高めることができ、セパレータを用いないため電池中の絶縁体に関連するコストを約半分まで抑制することが可能です。当社のリチウムイオン二次電池SCiB™にこの新構造を適用し、入出力性能、容量が1.2倍になることを確認しました。新型リチウムイオン二次電池の詳細は、東京で開催される国際ナノファイバーシンポジウム2018で、6月7日に発表します。
SCdEの製造には、ナノファイバー膜形成技術のひとつであるエレクトロスピニング技術（ES技術）を応用しています。 ES技術は、原料である高分子溶液に高電圧を加えて紡糸する技術で、常温での紡糸が可能でかつ高耐熱性、高腐食耐性といった特徴を持つ幅広い材料からナノファイバー不織布を形成できます。数十nm～数μmの範囲での繊維径制御が可能で、耐熱性や絶縁性といった材料由来の特性を保持しながら、電解液中のイオンが通りやすい構造にすることができ、作製した不織布は電池のセパレータとしての機能に適した特長を備えています。
ES技術により、絶縁性、耐熱性に優れる樹脂製の極薄ナノファイバー膜を、電極の表面に両面から同時にコーティングしてSCdEを形成することで、正極と負極を絶縁するために必要であったセパレータを用いない構造を実現しました。両面から同時にコーティングすることで、SCiB™（セパレータを用いた場合）と同等の安全性が得られます。更に、電極表面にコーティングされた極薄ナノファイバー膜は電極と一体となるため、セパレータを薄膜化することで生じる製造過程での取り扱いにくさなども解消され、従来のセパレータでは困難な薄さが実現できます。SCdEを用いた新構造のリチウムイオン二次電池は、高価な薄膜セパレータを用いても実現が困難な電池性能を、低コストで実現できます。
極薄ナノファイバー膜を構造に組み込んだSCdEを用いることで、エネルギー密度を維持しつつ、電極間の高いイオン伝導性により内部抵抗を低くできるため、当社のSCiB™の高出力セルである10Ahセルと同じサイズで、従来の1,800Ｗから2,200Wへの出力性能の向上を達成しました。また、当社独自の電極塗工技術と合わせることで更なる入出力性能の向上が見込まれ、内部抵抗値を従来品に比べて約40％低減したセルの実現が可能となります。入出力性能の向上によりSCiB™と同様に寒冷地での使用が可能になるほか、鉛電池の代替の可能性も見込めます。試作した電池を用いて、充放電を8,000回繰り返しても95％以上の電池容量が維持されることを実証し高入出力・高容量化とSCiB™の特長である長寿命を合わせて実現しています。
当社は、SCdEを用いた新構造を、車載用、定置向けのリチウムイオン二次電池にも展開し、2019年度の実用化を目指します。
なお、本成果は国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の助成事業の成果を一部使用しています。
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