2026.11.09
横浜国立大学 先端学術高等研究院 先進化学エネルギー研究センター 先進蓄電研究ラボの宇賀田 洋介助教、藪内 直明教授らと、共同研究を実施する株式会社3DC※の上田 浩視氏、石井 康祐氏らの研究成果が、「Advanced Energy Materials」に掲載されました。「Advanced Energy Materials」はエネルギー材料分野において世界的に高い評価を受けている、トップクラスの国際学術誌です。
※株式会社3DC：https://www.3dc.co.jp/ja
□ 研究背景：『電池の高密度化と高出力の両立へ』
先進蓄電研究ラボでは、蓄電池のさらなる高性能化・高機能化実現に向けて各種電極材料や電解質などに関わる研究に取り組んでいます。リチウムイオン電池の高エネルギー密度化には、正極を厚くし、充放電を担う活物質を高密度に充填することが重要です。一方、活物質を詰め込むほど電解液が入る空隙が減り、リチウムイオンの移動が妨げられます。その結果、大きな電流で放電すると、正極が本来持つ容量を十分に取り出せなくなります。カーボンナノチューブなどの導電助剤は電子の輸送を助けますが、高密度・厚膜の正極では、イオンの輸送経路も確保する必要があります。本研究では、資源供給問題を抱えるコバルトフリー構成の純ニッケル系層状酸化物を正極の活物質に用い、GMS※が持つ三次元の炭素骨格と内部の細孔の効果を検証しました。
※GMS：株式会社３DCが開発する炭素材料Graphene MesoSponge®の略称であり、炭素1原子分の厚みでスポンジのような三次元構造を備えた「三次元型のグラフェン」素材
□ 採択された論文について
著者：宇賀田洋介助教、松本怜大学院生、佐藤生来学部生、Jaejin Lim博士†、Yong Min Lee 教授†、上田浩視氏‡, 小丸篤雄氏‡、石井康祐氏‡、藪内直明教授 (責任著者)
高エネルギー密度リチウムイオン電池において、高負荷かつ高密度に充填された電極内で効率的な電子・イオン輸送を実現することは、依然として大きな課題である。質量負荷量の増加は電子およびイオンの両方の輸送経路を長くする一方、重量エネルギー密度および体積エネルギー密度の最大化と電解液量の最小化に不可欠なロールプレスによる電極高密度化は、低空隙率電極におけるイオン輸送をさらに制限するという問題が存在する。本研究では、スポンジ状のメソ多孔質骨格を利用して電極微細構造を制御する機能性導電助剤として、グラフェンメソスポンジ（GMS）を利用した。GMSをわずか1 wt.%含有したコバルトフリーの純ニッケル層状酸化物正極は、電子伝導性およびイオン伝導性の向上を示し、分極を抑制しながら高い可逆容量を実現できることを明らかにした。さらに、GMSの変形可能なメソ多孔質骨格は、ロールプレス時に生じる圧縮応力を緩和する役割を果たし、活物質粒子の亀裂発生を引き起こすことなく、実用的な電極密度である3.5 g cm⁻³以上を達成できることが示された。また、韓国 延世大学の研究者との共同研究の結果、多孔質GMS構造は三次元的な電子・イオン輸送ネットワークを形成しており、そのメソ細孔内に保持された電解液がイオン輸送を促進することがデジタルツイン技術を使った解析により明らかとなった。その結果、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を含む電極と比較して、優れたレート特性を示すことを明らかにした。これらの結果は、GMSが高密度複合電極の微細構造設計を通じて、実用的なリチウムイオン電池におけるエネルギー密度と出力密度を同時に向上させる革新的な導電助剤であることを示しています。
[論文リンク] https://doi.org/10.1002/aenm.71677
†韓国 延世大学所属、‡株式会社３DC所属
□ 今後の予定
本研究で得られたリチウムイオン蓄電池の高エネルギー密度化・高入出力化は多くのデバイスで求められている特性です。また、コバルトフリー構成を実現する純ニッケル系層状酸化物を用いており、資源供給リスクの低減にも寄与しています。今後、GMSと純ニッケル系層状酸化物を組み合わせた合材電極は、電気自動車にとどまらず、エアモビリティやロボティクスなどの新たな分野へも応用も期待されます。これらの研究成果は、リチウムイオン電池のさらなる高性能化を通じて、二酸化炭素排出削減や気候変動対策といった世界的な課題の解決に貢献するだけでなく、これまで実現が難しかった新たなデバイスや技術の実用化を加速させることが期待されます。
□ 問い合わせ先
先端学術高等研究院 先進化学エネルギー研究センター 先進蓄電研究ラボ
教授 藪内 直明
メールアドレス： yabuuchi-naoaki-pw (at) ynu.ac.jp
※（at）は@に置き換えて下さい。
