共創パートナー募集中の開発テーマ
こんな方におすすめ
- ポーラスポリマーフィルム材料技術、及びその量産技術をお持ちの企業様
- 金属コート技術、及びその量産技術をお持ちの企業様
- 高出力で、エネルギー密度の高い電池を必要とされる企業様
- 超急速充電可能な次世代リチウムイオン二次電池を必要とされる企業様
「ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池」とは
新技術『ポーラス集電体』を用いた次世代リチウムイオン二次電池のご紹介
03:17
従来のリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度を高くするために電極を厚くすると抵抗が大きくなり（リチウムイオンの移動距離が長くなり）、逆に電池の出力は落ちてしまうという課題がありました。
この課題を解決するために開発したのが、集電体をポーラス（多孔質）構造にする「ポーラス集電体（PCC）」です。
※画像提供：スタンフォード大学
従来の集電体を用いたリチウムイオン二次電池は「A図」のような構造で、アルミニウム箔に正極、銅の箔に負極が塗られていて、その間をリチウムイオンが移動（水色の波線）します。
一方、「B図」のポーラス集電体を用いたリチウムイオン二次電池では、いくつもの穴が開いた多孔質のポリマーフィルムの上部に、穴を埋めないように薄く銅を塗り、下部には薄くアルミニウムを塗った三層構造の集電体を使用します。この集電体の銅側に負極を、アルミニウム側に正極を配置することにより、ポーラス集電体の穴を通ってリチウムイオンが移動できるようになります（赤い波線）。その結果、イオンの移動距離が短くなるため、従来の電池と同じ電極の厚みを維持したまま、出力を向上させることが可能となります。
【A図】従来の集電体（TCC）
Ion pathway through separator
【B図】ポーラス集電体（PCC）
Ion pathway through porous current collector
従来の集電体（TCC）とポーラス集電体（PCC）の内部構造の違い
「ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池」の特長
従来のリチウムイオン二次電池の最大4倍の出力
リチウムイオン二次電池にポーラス集電体を導入すると、従来の集電体を用いた場合と比較して、最大で2倍の電流を流せるようになります。つまり、ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池は、従来の最大4倍の出力を発生することができ、同様に、充電時間は最短で1/4に短縮されます。
リチウムイオン二次電池の軽量化
従来のリチウムイオン二次電池は集電体にアルミニウム箔や銅箔が用いられていますが、それをポーラス集電体に置き換えることで電池が軽くなります。仮に円筒型セル（21700サイズ）にポーラス集電体を導入したとすると、重量は10％程度減少すると考えられます。この時、用いる電極材料は変わらないので、重量あたりのエネルギー密度は10％程度上昇します。ポーラス集電体は、出力特性や急速充電性能を向上させると同時に、エネルギー密度も向上させることが可能な技術です。
より安全なリチウムイオン電池への期待
ポーラス集電体「Al／ポリマー／Cu」と類似の構造を持つ樹脂集電体「Al／ポリマー／Al」や「Cu／ポリマー／Cu」を使用したリチウムイオン二次電池に関する研究報告では、従来の集電体を用いた場合よりショートの際に熱暴走しにくいという結果が示されています。このことから、ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池の安全性を高める効果を持つと期待することができます。3,4,5
「ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池」の活用領域について
従来のリチウムイオン二次電池には「円筒形」と「積層形」といった2つの形があります。今回開発したポーラス集電体は、どちらのタイプにも適用が可能です。すなわち、「ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池」の活用領域は、現在、リチウムイオン二次電池が使われているデバイスのすべてに適応できる可能性を秘めています。またポーラス集電体導入の効果は、バッテリーが大型になればなるほど大きいので、今までリチウムイオン二次電池が対応できなかった分野への導入も期待が広がります。
よくあるご質問
従来の集電体を用いた場合と比較して、最大で2倍の電流を流せるようになります。
つまり、ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池は、従来の最大4倍の出力を発生することができ、同様に、充電時間は最短で1/4に短縮されます。
ポーラス集電体を通してイオンが移動できるため、イオン移動距離が短くなります。これにより厚い電極でも抵抗を低く抑えることができ、大きな電流を流すことができるようになります。
スタンフォード大学との共同研究により、ポーラス集電体の原理が確認されています。
詳細は参考文献欄記載の論文をご確認ください。
「ポーラス集電体を用いた
次世代リチウムイオン二次電池」に
関するご相談
従来比最大4倍の高い出力が期待できる「ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池」に
ご興味をお持ちの方や技術の詳細を知りたい方は、ぜひお気軽にご相談ください。
※当商材は開発品であるため、仕様は事前の告知なく変更される場合があります。
開発者の声
村田製作所
技術・事業開発部 デバイスセンター 蓄電技術開発1部
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中山 有理（なかやま ゆうり）
鈴木 義明（すずき よしあき）
増田 泰之（ますだ やすゆき）
結城 貴皓（ゆうき たかひろ） -
リチウムイオン二次電池を商品化したソニーの歴史は、私たちムラタが継承しています。今回私たちは、スタンフォード大学と共にポーラス集電体を生み出しました。
現在ムラタは、ポーラス集電体の実装でリチウムイオン二次電池を進化させ、それを世界中に普及させることでエネルギーの歴史を変えようとしています。
この技術革新を成し遂げるには、みなさまのご協力が必要です。
私たちと共に、人類と地球の未来を創りましょう。
参考文献
- （1）Yusheng Ye, Rong Xu, Wenxiao Huang, Huayue Ai, Wenbo Zhang, Jordan Otto Affeld, Andy Cui, Fang Liu, Xin Gao, Zhouyi Chen, Tony Li, Xin Xiao, Zewen Zhang, Yucan Peng, Rafael A. Vila, Yecun Wu, Solomon T. Oyakhire, Hideaki Kuwajima, Yoshiaki Suzuki, Ryuhei Matsumoto, Yasuyuki Masuda, Takahiro Yuuki, Yuri Nakayama & Yi Cui, “Quadruple the rate capability of high-energy batteries through a porous current collector design”, Nature Energy 9, 643–653 (2024).
- （2）Yusheng Ye, Rong Xu, Wenxiao Huang, Huayue Ai, Wenbo Zhang, Jordan Otto Affeld, Andy Cui, Fang Liu, Xin Gao, Zhouyi Chen, Tony Li, Xin Xiao, Zewen Zhang, Yucan Peng, Rafael A. Vila, Yecun Wu, Solomon T. Oyakhire, Hideaki Kuwajima, Yoshiaki Suzuki, Ryuhei Matsumoto, Yasuyuki Masuda, Takahiro Yuuki, Yuri Nakayama & Yi Cui, “Quadruple the rate capability of high-energy batteries through a porous current collector design”, Nature Energy 9, 643–653 (2024).
- （3）Martin T.M. Pham, John J. Darst, William Q. Walker, Thomas M.M. Heenan, Drasti Patel, Francesco Iacoviello, Alexander Rack, Margie P. Olbinado, Gareth Hinds, Dan J.L. Brett, Eric Darcy, Donal P. Finegan, Paul R. Shearing, “Prevention of lithium-ion battery thermal runaway using polymer-substrate current collectors”, Cell Reports Physical Science 2, 100360 (2021).
- （4）Zhikang Liu, Yanhao Dong, ORCID Xiaoqun Qi, Ru Wang, Zhenglu Zhu, Chao Yan, Xinpeng Jiao, Sipei Li, Long Qie, Ju Li and Yunhui Huang, “Stretchable separator/current collector composite for superior battery safety”, Energy & Environtal Science 15, 5313 (2022).
- （5）Yong Peng, Xuning Feng, Jianzhong Xia, Zesheng You, Fangshu Zhang, Yiwei Chen, Congze Fan, Jianfeng Hua, Yubo Lian, Zhongde Shan, Minggao Ouyang, “Polymer based multi-layer Al composite current collector improves battery safety”, Chemical Engineering Journal 491, 151474 (2024).
お知らせ
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世界初、従来比最大4倍の電池出力を実現する「ポーラス集電体」をスタンフォード大学と共同開発
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共創パートナー募集中の開発テーマ「ポーラス集電体を用いた次世代リチウムイオン二次電池」を掲載しました。
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