【技術】バークレー研究所、高容量リチウムイオン電池負極を開発。

1 ：11/09/26 〜 最終レス ：11/09/29

　バークレー研究所が、従来比8倍のリチウムを吸蔵できる新型のリチウムイオン電池負極を設計
したとのこと。この負極は、1年以上にわたるテストと、何百回もの充放電サイクルの後にも高容量
性能を維持しているといいます。
高容量化の秘密は、負極のバインダーとして最適設計された導電性ポリマーにあります。シリコン
負極を用いたリチウムイオン電池は、充電時にシリコン微粒子の体積が3倍に膨張し、放電時に
収縮して元にもどるという性質があるため、このサイクルを繰り返してもシリコン同士の結合が損な
われないようにバインダーの設計を行ったのです。また、この新型負極は低コストな材料から作製
することができ、標準的なリチウムイオン電池の製造技術にも適合するとしています。
「高容量のリチウムイオン電池負極材料が常に抱えている課題は、電極がリチウムを吸蔵するとき
に起こる体積の膨張です」とバークレー研究所 環境エネルギー技術部門（EETD: Environmental
Energy Technologies Division）の Gao Liu氏は言います。
「現在のほとんどのリチウムイオン電池は負極材料にグラファイトを用いています。グラファイトは導
電性があり、グラフェン層の間にイオンを内包しても体積はわずかに増加するだけです。一方、シリ
コンはグラファイトの10倍を超えるイオン吸蔵能力があり、リチウムイオン吸蔵材料の中でも飛び抜
けて高容量ですが、満充電時には体積が3倍超も膨張してしまうのです」
この膨張によって、負極内部での電気的接触が急速に損なわれてしまうため、負極の導電性を維持
しつつシリコンを利用できる方法をみつける研究が進められてきました。これまでに多くのアプローチ
が提起されていますが、その中にはコストが高すぎるものもあります。
より安価なアプローチの一つとして、シリコン微粒子をフレキシブルなポリマーバインダーと混ぜ合わ
せるという方法があり、ここでは導電性を持たせるためにカーボンブラックの添加剤が使われてきま
した。しかし、残念ながらこの方法も、リチウムイオンを吸蔵・放出しながらシリコン微粒子が膨張収
縮を繰り返すうちに、添加剤のカーボンブラックが、押し出されていってしまいます。カーボンの添加
剤を使わなくてもそれ自体が導電性を持っているフレキシブルなバインダーが必要なのです。
「導電性ポリマーは、目新しいアイデアではありません」とLiu氏。「しかし、先行研究では、あまり良い
成果が上がっていませんでした。その理由は、リチウムイオン電池負極での苛酷な還元作用を持つ
環境が考慮されていなかったことにあると考えられます。還元環境によって、最も導電性の高いポリ
マーさえも絶縁体に変わってしまうのです」
例えば、高い導電性を示すポリマーであるPAN（ポリアニリン）は正の電荷を持っており、最初は導体
として働きますが、すぐに導電性を失ってしまいます。理想的な導電性ポリマーであれば、容易に電子
を捕捉することで、負極の還元環境下でも導電性を得るはずです。
>>2に続く
日本語ソース：SJN Blog　再生可能エネルギー最新情報
http://sustainablejapan.net/?p=559
原文ソース：BERKLEY LAB
http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2011/09/23/better-li-ion-batteries/
★依頼スレ＠レスhttp://toki.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1313397998/181番より

2 ：

>>1の続き
研究チームは、PFs候補材料のカギとなる電子的特性を特定するために、バークレー研究所 放射光
実験施設Advanced Light Source（ALS）の Wanli Yang氏の助言を得て、軟X線吸収分光法を使うこと
にしたといいます。これにはALSのビームライン8.0.1が用いられました。
「Gaoは、イオンと電子がどこに存在し、どこへ移動していくのかを知りたがっていました。軟X線分光
法を使えば、この種の重要な情報を正確に得ることができるんです」とYang氏。
PANの電子構造と比較すると、Yang氏が取得したPFsの吸収スペクトルは一目で分かるほど目立つも
のでした。PANとの違いが最も大きいのは、炭素と酸素が結合した官能基（カルボニル基）を内包して
いるPFsだったといいます。
「私たちは実験上の根拠を得ましたが、自分たちが観察しているものが何なのか、それがポリマーの
導電性とどう関連しているのかを理解するためには、第一原理による理論的説明が必要でした」と
Yang氏。彼は、バークレー研究所 材料科学部門（MSD: Materials Sciences Division）の Lin-Wang
Wang氏にも研究に参加するよう呼びかけました。
第一原理計算によるシミュレーションで明らかになったのは、リチウムイオンがまず最初にポリマーと
相互作用し、その後でシリコン微粒子と結合するということでした。リチウム原子がカルボニル基を通
じてポリマーに結び付くとき、リチウム原子の電子がポリマーに渡されます。このドーピングプロセスに
よって、ポリマーの導電性が著しく向上し、シリコン微粒子への電子とイオンの輸送が促されると考えら
れます。
その後、この新型負極は、米国立電子顕微鏡センター（NCEM: National Center for Electron Microscopy)
で評価され、シリコン微粒子が膨張収縮を繰り返してもポリマーのバインダー性能が低下しないことが
確認されています。
今回のリチウムイオン電池負極開発は、合成、分析、シミュレーションの3分野でそれぞれ最先端のツ
ールを保有しているEETD、ALS、MSDが協力することで成功したユニークな研究事例であるといえるで
しょう。
引用終わり

3 ：

画像
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2011/09/traditional-new.jpg
（左）従来のシリコン負極。青い球体がシリコン微粒子、明るい茶色がPVDFなどのポリマーバインダー、
暗い茶色の球体が導電性をもたせるためのカーボン添加剤を表す。シリコンが膨張収縮を繰り返
すうちに、導電性カーボン粒子の接触が損なわれていく。
（右）今回のシリコン負極。紫色が新開発の導電性ポリマーバインダー。それ自体が導電性を持っており、
膨張収縮を繰り返してもシリコン微粒子同士の結合を維持できる。
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2011/09/spectra-binding.jpg
（上）軟X線吸収分光法によって得られたポリマーの吸収スペクトル。赤色が新規開発の導電性ポリマー
PFFOMBのもの。紫色で表された他のポリマーのスペクトルと比べて、導電性のポテンシャルが高いこと
を示している。吸収曲線のピーク位置から、LUMOの値がより低くくなっていることが分かる。
（下）リチウムイオンが新規ポリマーと結合するとき、ほぼ完全に2段階で電子が輸送されることがシミュレ
ーションで示されている。
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2011/09/before-after-TEMs1.jpg
（左）充放電サイクル試験にかける前の負極の透過型電子顕微鏡（TEM）画像。シリコン微粒子がポリマー
バインダーに埋め込まれている。
（右）32回の充放電サイクル後のTEM画像。ポリマーは依然としてしっかりとシリコン微粒子に結合している。
これが650回を超える充放電サイクル試験後も新規負極がグラファイト負極よりもはるかに高い容量を維持
できる理由であるという 。
（Image courtesy of Lawrence Berkeley National Laboratory）

4 ：

>>1-3
つまり、
　　　　　　　　　　　　　　　　　！



完

5 ：

時代遅れのリチウムイオン電池

6 ：

時代はリチウムー空気電池
http://wired.jp/2011/09/22/%e6%ac%a1%e4%b8%96%e4%bb%a3%e8%93%84%e9%9b%bb

7 ：

ブロッコリー？

8 ：

美空ひばりをバカにするな

9 ：

バークレー研究所ってどのバークレー研究所だよ？
ローレンス・バークレー研究所？

10 ：

つまり何だな、その文が長すぎて読む気がしない。
スレタイ１行で済むことなのに。

11 ：

ついこないだ昆布に含まれるアルギン酸塩でリチウムイオンバッテリーの容量が10倍にみたいなニュースなかったっけ

12 ：

男の武器を使え。アルギニンを使うともっとキクかもしれん

13 ：

>>6
リチウム空気電池もいいけど、燃料電池が開発競争でコストが下げれば無敵じゃね

14 ：

８倍程度の向上では生産・組立て・使用毎のロスが重なれば結局コストに合わない
向上代になってしまうんじゃないかと･･････お節介ながら感じました。

15 ：

　＞バークレー研究所
おまいらも覚えてるだろ？　ここの学食はどれも美味かったよな

16 ：

今年のノーベル賞　　
リチウム電池
ジョン・バニスタ・グッドイナフ

17 ：

>>11
俺もそれを思い出したが見当たらない…
別の世界線の話じゃね？

18 ：

>>14
いやリチウムイオン電池で容量8倍にできれば、1回充電でガソリン車並みの航続距離の電気自動車作れるから、かなりインパクトあると思うよ。
負極だけ8倍にしてもしょうがないから正極も上げないと駄目だけど。

19 ：

やったあ！8倍も持つぞ！と思いきや
現実は1/8の大きさにしてコストカットしようになってしまうのが悲しい

20 ：

時代遅れの男になりたい

21 ：

>>19
ケータイ/スマホなら各社どれだけ大きなバッテリー積むかで悩んでるから、現行と同じ容量まで小さくされることはないと思う
ただ、邪魔だから小さくしろって半分くらいまでは削られる可能性大

22 ：

>>11,17
【話題】昆布を使用したら、リチウムイオン電池の容量が"10倍"に--米ジョージア工科大学 [09/14]
http://toki.2ch.net/test/read.cgi/bizplus/1315968231/l50

23 ：

>>22
今回のと組み合わせるとよさげ
ただ、正極の高容量化が必須だね

24 ：

長いよ

25 ：

君たち、スレタイと>>1をよく読みたまえ。
負極だけが8倍に性能UPしたため、負極を改善できるだけだ。
で、電池の容量とかは従来どうり

26 ：

これは使えるのでは、電池の容量を3割は増やせる。

27 ：

実際のところリチウムイオン電池メーカーはどこも負極にシリコン使いたいと考えてる

28 ：

■原発事故はお祭りだ！楽しく脱原発■
http://yuzuru.2ch.net/test/read.cgi/offmatrix/1317031723/l50
★★村川さゆり（ニュースで紹介）夫婦のエコ生活★★
エコ生活を見習えば、原発なんていらない。火力も水力もいらないんだ。
自由で平等な生活には、原発や電力はいらない。
ニュースで紹介しましたが、メタンでもコンロに火がつけれます。
村川の足音が聞こえてきてほしい！！！ぎゃおー----！
デモもおしゃれにやります。
脱原発活動家をなめるなよ。保守団体みたいにおお聞こえ出して虚勢はらないけど、
根性あるんだよ。

29 ：

リチウムよりカルシウムイオン電池の方が良くないか？
カルシウムなら石灰岩に含まれているし石灰岩自体はどこの国でも取れる
実用化すればカントリーリスクが無い電池として使える

30 ：

>２９
ナトリウムやマグネシウムだったら研究中だけどな
海水から無尽蔵にとれる

31 ：

プルトニュウム電池にすれば問題解決

32 ：11/09/29

>>31
放射性同位元素の崩壊熱を熱電変換して電気エネルギー取り出す電池は検討されてると思うよ。
ただし、もともと放射線が大量に飛んでる宇宙での活動用だけど。