韓国研究チーム、火災・爆発の心配がない三重層バッテリーを開発 国際学術誌に掲載

韓国の研究チームが火災・爆発の心配がない三重層バッテリーを開発した。国際学術誌に掲載も掲載された。(※論文名など詳細は記事末尾に掲載)

DGIST(大邱慶北科学技術院)のエネルギー環境研究部に所属するキム・ジェヒョン主任研究員の研究チームが、火災リスクを画期的に低減し、寿命を大幅に向上させた「三重層ポリマー固体電解質」ベースの新しいリチウム金属バッテリーを開発した。この研究により、電気自動車から大規模エネルギー貯蔵装置に至るまで、幅広い産業での活用が期待されている。

従来のポリマー固体電解質バッテリーは、構造上の制約により電極との接触が不十分で、性能が低下していた。また、充放電を繰り返す過程でリチウムが樹枝状に成長する「デンドライト」問題を回避できなかった。デンドライトは不規則なリチウムの成長によりバッテリー接続に異常を引き起こし、火災や爆発を招く致命的な要因とされている。

従来の固体高分子電解質(SPE)の場合、PEOマトリックスだけで移動し、遅いリチウムイオン移動速度を示し、リチウムデンドライトの成長を抑制できない。本研究グループが開発した3層複合固体高分子電解質(DBDPE, Zeolite)の場合、電極表面には柔軟な接触性を、中心部には強い機械的強度を有しているため、リチウムデンドライトの成長抑制による電気化学的性能の向上だけでなく、難燃性と安定性を確保した。

SPE: 固体高分子電解質 (Solid Polymer Electrolyte)

PEO: Poly Ethylene Oxide

DBDPE:難燃剤、Decabromodiphenyl ethane

SEI : 陰極表面の固体膜(Solid electrolyte interphase)

研究チームはこれらの問題を解決するため、電解質を「三重層構造」に再設計した。この三重層構造では各層が異なる役割を果たし、バッテリーの安全性と効率性を画期的に向上させる。この電解質には、燃えにくさを向上させる「DBDPE(デカブロモジフェニルエタン)」、電解質の強度を高める「ゼオライト」、そしてリチウムイオンの移動を促進する高濃度のリチウム塩「LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)」が使用された。

三重層構造の固体電解質は、中央層が強靭でバッテリーの機械的強度を高め、表面層は柔らかく電極との密着性を向上させ、リチウムイオンがスムーズに移動できるように設計されている。これによりリチウムイオンの移動速度が向上し、デンドライトの生成を効果的に抑制した。

実験の結果、研究チームが開発したバッテリーは1,000回の充放電を繰り返しても約87.9%の性能を維持し、従来のバッテリー(70~80%)と比較して耐久性が大幅に改善された。また、火がついても自然に消える特性があり、