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ナノ材料

電解液に可燃物を含まない水系リチウムイオン二次電池を開発
−定置型蓄電池の設置場所の自由度を大幅に改善し、再生可能エネルギーの安定運用、脱炭素社会の実現に貢献−

2020年11月19日
株式会社東芝

当社は、再生可能エネルギー(以下、再エネ)の安定供給において必須となる安全で大容量な定置用蓄電池を実現するため、マイナス30℃でも運用できる水系リチウムイオン二次電池(以下、水系電池)を世界で初めて開発しました。水系電池は電解液に水を用いるため、外部要因で火災が起きた際でも安全な将来の電池として期待が高まっています。その高い安全性から消防法の危険物に該当せず、設置場所の自由度が広がります。また、2,000回以上充放電可能な長寿命の特長を兼ね備え、再エネの普及・拡大への貢献が期待されます。
当社は本技術の詳細を、11月19日に第61回電池討論会で発表します。

再エネを利用した発電システムは、脱炭素社会の主役として世界中で導入が進んでいます。しかし再エネは化石燃料と比較して時間帯や気候条件による出力変動が大きいため、定置型大型蓄電池と併用することで、出力変動を調整し安定的に電力を供給することが必要です。蓄電池においてはエネルギー密度に優れたリチウムイオン二次電池(LIB)の活用が期待されていますが、安全性の向上が課題です。LIBは、3.7V以上の高い電圧を維持するため、通常、電解液に可燃性有機溶媒を使用しており、消防法により設置場所に制限が生じます。さらに、定置型・大型の蓄電池は長期間の運用が前提となるためより高い安全性が求められます。

当社は、高い安全性を有するLIBとして、負極に黒鉛ではなく燃えないリチウムチタン酸化物(LTO)を採用したSCiBを提供しています。この安全性をより高めるため、外部要因で火災が起きた際の安全性にも考慮し、電解液に不燃性水溶液を採用した水系電池を開発しました。可燃物を含まず消防法の危険物に該当しないため、設置する際の安全対策を従来よりも大幅に簡略化することが可能です。また、設置場所の制限も緩和されるため、住居近くやオフィスビル内にも設置が可能となり、大型蓄電池の普及に貢献します。

これまでの水系電池は、長期間運用すると水溶液の電気分解反応が進行するため、充放電反応が進まない点が課題でした。そこでリチウム塩の濃度が高い高濃度電解液と固体電解質セパレーターを組み合わせた独自の電池構造により、正極側から負極側への水素イオン(水)の移動を防ぐことで水溶液の電気分解を抑制した結果(図1)、従来技術の10倍となる約2,000回以上の充放電を実現しました(図2)。また、水系電池としては高い2.4Vの電圧を実現しています。さらに、低温でも凍らない水溶液を使うことで、マイナス30℃でも充放電が可能となりました。電解液に水を使うことで、安全性を向上させるだけでなく、製造設備の簡略化による低コスト化も期待できます。

今後、当社は、今回開発した水系電池の研究開発をさらに進め、早期のサンプル提案を目指します。

図1:開発した水系リチウム電池の概念図

図2:開発電池の寿命特性


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