超厚カーボンファイバー強化電池電極、高エネルギー密度を実現

2020年6月号の米国化学会「Nano Letters」誌に掲載されたプロジェクトで、デラウェア大学（米国デラウェア州ニューアーク）複合材センター（CCM）の研究者たちが、垂直配向カーボンファイバーで強化された超厚電池電極を開発しました。「ファイバー配向厚膜」または「FAT」と呼ばれる新電極設計は、優れた特性を示し、製造へのスケールアップが容易とされています。

「電池において、電極は活物質（電極材料）と非活性成分（金属集電体、ポリマーバインダー、導電マトリックスなど）で構成されます」と、デラウェア大学助教授で本研究著者のDr. Kun Fu氏は説明します。電池の比容量を向上させるには、活物質量を増やし、非活性材料を減らす必要があるとのこと。

デラウェア大学CCMが設計したFAT電極は、電極方向に配向したユニディレクショナル（UD）短カーボンファイバーを組み込み、活電極材料（LiFePO₄、リン酸鉄リチウム）をファイバー間に埋め込みます。カーボンファイバー間の気孔が電極を貫通する低屈曲率チャネルを形成し、液体電解質内での高速イオン輸送を可能にします。「FAT電極は配向カーボンファイバーを用いて、貫通方向ファイバー配向電極構造を構築し、高電極材料充填、低屈曲率、高電気・熱伝導性、良好な圧縮特性を特徴とします」とFu氏。

「この場合、より厚い電極は活物質/非活性物質比を大幅に増やし、より高い比容量を達成できます」と同氏。FAT電極の低屈曲率は高速電解質浸透と迅速な電子/イオン輸送を可能にし、従来のスラリーキャスト厚膜電極設計より高い容量保持率と低い電荷移動抵抗を示します。

優れた特性と高容量に加え、研究者たちは製造法が容易にスケールアップ可能で低コストだと説明。水系電極インクとカット・ロールされたカーボンファイバー膜補強を用います。電極製造では、活電極材料を事前に充填したカーボンファイバー膜を円筒形に巻き、ファイバー軸方向に垂直にカット。この方法で直径18mm、高さ55mmの電極を製造し、18650円筒電池セルへの用途を想定しています。

次に、研究者たちは配向カーボンファイバー枠組みを陽極設計、全固体電池、Li-SおよびLi-O₂電池へ応用する計画。用途には電気自動車、電子機器、グリッドエネルギー貯蔵用電池が含まれるとFu氏は述べています。

研究詳細については『Nano Letters』電子版をご覧ください。

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