豊田中央研究所は2024年9月25日、リチウムイオン二次電池の電極構造を刷新した「ファイバー電池」を発表した。繊維状のユニットを束ねることで、エネルギー密度と急速充放電性能を両立していることに加え、柔軟にサイズや形状を変えられる。
リチウムイオン二次電池に求められる性能は、エネルギー密度、急速充放電、サイクル寿命、安全性など多岐にわたる。特にドローンやスマートデバイスに用いる小型電池は、これらの諸性能に加え、小型かつ軽量であることも求められる。しかし、複数の性能間にはトレードオフの関係がある。
従来のリチウムイオン二次電池が抱えている課題の解決を目指す同社の研究チームは、従来のシート積層型の電極構造そのものを刷新し、同心円状電極を持つファイバー電池を開発した。
ファイバー電池の基本ユニットは、中心に負極である炭素繊維を配置し、セパレーターと正極でその周囲を覆った同心円状の繊維構造となっている。従来のシート積層型に比べ、同心円状の電極構造は電極の対向面積を大きくできる。さらに、電極内のイオン伝導経路を短くできるため、従来のシート積層型電極では難しかった高エネルギー密度化と急速充放電性能を両立できる。
従来の積層型電極（a）と本研究で開発した同心円型電極（b）の比較
ファイバー電池は、必要な容量に応じてユニットを束ねて並列につなぎ、パッケージングして使用する。1本あたりの直径はおよそ300μmで、288本束ねると鉛筆1本と同等のサイズになる。束ねる本数や形状は、自在に変更できる。
研究では、実際にファイバー電池をドローンの骨格に応用する実験を実施した。288本のユニットを束ねてアルミニウムのラミネートフィルムで封止して、225mAhの容量を持つ試験電池を作製した。ドローンに試験電池4つを搭載したところ、1～1.5mの高さで安定して飛行させることができた。
リチウムイオン二次電池の電極を同心円状の構造にすることで、従来のリチウムイオン二次電池が抱えていたエネルギー密度と急速充放電性能のトレードオフを解消する。サイズや形状をユニットの束ね方で自由に変えられるため、さまざまなデバイスに応用される可能性がある。
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小型リチウムイオン電池向けの新構造を開発～同心円状の電極構造を持つ「ファイバー電池」でエネルギー密度と急速充放電を両立～ | お知らせ | 株式会社 豊田中央研究所
