リサーチハイライト

充電式リチウム空気電池で固体触媒と液体触媒を併用すると、相乗効果を発揮して、正極（カソード）の反応速度と電池のエネルギー効率の両方が向上することが、東北大学材料科学高等研究所（AIMR）の研究者らによって見いだされた¹。これは、リチウム空気電池の商業化を阻んできた二つの主要な障害を克服する道を示す成果である。

AIMRの陳明偉（Mingwei Chen）教授は、「リチウム空気電池は、次世代電気化学エネルギー貯蔵デバイスの最も有望な候補の一つですが、正極での反応速度が遅い上、エネルギー効率が低いため、実用化には至っていません」と説明する。

リチウム空気電池は、金属リチウムの負極、非水系電解液、多孔質材料の正極という三つの主要構成要素からなる。この電池は、放電時にはリチウムの過酸化リチウム（Li₂O₂）への酸化を通してエネルギーを放出し、充電時にはLi₂O₂のリチウムと酸素への分解という逆反応によってエネルギーを貯蔵するが、いずれの反応も促進させるには触媒が必要だ。

リチウム空気電池用の触媒としては、固体触媒と液体触媒の両方が開発されてきたが、これらの触媒にはそれぞれ欠点がある。「固体触媒はLi₂O₂との接触界面が柔軟でなく不安定で、液体触媒は触媒効率が低いのです」と陳教授は言う。

これまでの研究で、固体触媒と液体触媒の併用がリチウム空気電池のエネルギー効率を向上させるのに有望であることが示されているものの、その根底にある機構や触媒の最適な組み合わせについては検討されていなかった。

今回、陳教授が率いる研究チームは、最先端の液体セル透過電子顕微鏡を用いて、これら2種類の触媒を併用した場合の効果を調べた。

研究チームは、固体触媒として酸化ルテニウム（RuO₂）、液体触媒としてテトラチアフルバレン（TTF; C₆H₄S₄）を選び、電極と電解質の界面や、電極とLi₂O₂の界面で起こる動的なナノスケール反応を画像化した（図参照）。

その結果、これら二つの触媒の間に明確な相乗効果があることが明らかになった。固体触媒は、リチウムと酸素の反応を触媒しただけでなく放電時の液体触媒の触媒効率を高め、液体触媒は、Li₂O₂で不動態化されたRuO₂を活性化するとともに充電時のLi₂O₂の酸化を加速させたのである。こうした相乗効果の結果、充電式リチウム空気電池のエネルギー効率が向上した。

研究チームは、この結果を足場としてさらに研究を進めていく予定だ。「今回の研究で得られた電気化学的知見を活かして、より優れた組み合わせの固体触媒と液体触媒を開発し、高性能リチウム空気電池を実現させたいと考えています」と陳教授は言う。