POSTECH、シリコン電池の寿命を延ばす導電材を発表

シリコン電池の寿命を延ばす材料が登場した。浦項工科大学（POSTECH）化学工学科・電池工学科のキム・ウォンベ教授の研究チームは8日、シリコン電池の寿命と安定性を高める機能性導電材を開発したと発表した。これは次世代負極材料であるシリコンの体積膨張問題を解決した成果である。

POSTECHの研究チームは、電池内部で電子が円滑に移動するのを助ける「導電材」に、シリコン表面で起きて性能を低下させる化学反応（界面反応）を抑える機能を加えた。キム・ウォンベ（化学工学科・電池工学科）教授とカン・ソンギュ（化学工学科）博士、キム・ヒョンジュ（電池工学科）修士で構成された研究チームが開発した機能性導電材は、髪の毛よりも細い炭素繊維であるカーボンナノファイバー（CNF）にスルホン酸基（-SO₃H）を結合させたものである。

シリコンは黒鉛よりも理論上高いエネルギー貯蔵能力を備えており、次世代二次電池の負極材料として研究されている。しかし充放電のたびに体積が大きく変化するため、長期的な性能確保が容易ではない。繰り返される膨張と収縮で粒子に亀裂が生じると電気的な接続が弱まり、電解質とリチウムが消耗して電池の容量と寿命が低下する。

研究チームは、導電材の役割そのものを拡張する方式でアプローチした。カーボンナノファイバーにスルホン酸基を結合させ、シリコン粒子との相互作用を強化するとともに、電極表面の界面反応まで制御するよう設計した。スルホン酸基はシリコン表面と強く結合して充放電中もカーボンナノファイバーとシリコンの間の電気的接続が切れないよう助けるほか、高い極性によって電解質添加剤であるFECをシリコン周辺に引き寄せ、フッ化リチウム（LiF）が豊富な安定した固体電解質界面被膜（SEI）が形成されるようにした。

この導電材を適用したシリコン電池は、300回の充放電後も初期容量の94.2%を維持した。電極に商用電池レベルに近い高い含有率の活物質を適用した条件下でも、結果は大きく変わらなかった。研究チームは面積あたり10.2 mAh cm⁻²の容量を実現し、従来のシリコン電池の5 mAh cm⁻²という水準を大きく上回った。

POSTECHのキム・ウォンベ教授は「従来、導電性確保のための補助材料として活用されてきた導電材に、界面反応を制御する機能を追加した点に意義がある」と説明した。研究成果は国際学術誌「Advanced Functional Materials」に表紙論文として掲載された。研究は、科学技術情報通信部と韓国研究財団の先導研究センター（ERC）事業、中堅研究事業、産業通商資源部の電池特性化大学院事業の支援を受けて実施された。