次世代カーボン素材の東北大発3DC、リチウムイオン電池向け正極材料の研究において日本有数の実績を持つ横国大・藪内教授と共同研究を開始

～「1回の充電で従来よりも長時間使える」リチウムイオン電池の実現を目指す～

株式会社3DC

2024年5月15日 13時07分

電池の進化を加速させる革新的カーボン新素材「グラフェンメソスポンジ®（GMS）」の開発・製造販売を行う株式会社3DC（本社：宮城県仙台市、代表取締役CEO：黒田拓馬　代表取締役CSO：西原洋知、以下「3DC」）は、2024年4月、リチウムイオン電池向け正極材料について日本有数の実績を持つ横浜国立大学・藪内直明教授と共同研究を開始しました。

今回の共同研究を通して、1回の充電で従来よりも長時間使える高容量なリチウムイオン電池の開発に向けて検討を進め、電池の進化と脱炭素社会の実現に貢献します。

■共同研究を開始した背景

持続可能な社会の実現に向けて、脱炭素領域に多くの注目が集まっています。脱炭素を実現するための手段のひとつに「社会の電動化」があり、電動化の鍵として期待されているのが「リチウムイオン電池」です。リチウムイオン電池は、他の二次電池よりも小型かつ長寿命にできることから、EVの普及や再生可能エネルギーの導入拡大において重要な役割を果たすと考えられています。

リチウムイオン電池の性能の中でも特に重要なのが、1回の充電で貯められる電気の量（容量）です。リチウムイオン電池は1991年に商用化されて以来、その容量を決定づける活物質（正極材料など）を中心に進化してきました。

脱炭素社会の実現には、現状よりもさらに高容量の電池が必要です。しかし、リチウムイオン電池には「容量を向上させようとすると寿命や入出力特性といった別の特性が低下する」というジレンマが存在するため、研究は一筋縄ではいきませんでした。このトレードオフ解消に貢献できると考えられているのが、3DCが開発する次世代炭素材料「グラフェンメソスポンジ®（GMS）」です。

リチウムイオン電池では、電極の導電性を上げるため、活物質の近くに「導電助剤」と呼ばれる材料を分散させる必要があります。3DCは、GMSを導電助剤としてアレンジした「導電助剤用GMS」を開発・販売しています。今回は、導電助剤用GMSを使用してリチウムイオン電池のさらなる高容量化を実現するため、リチウムイオン電池向けの高電圧正極材料について豊富な研究経験を有する横浜国立大学・藪内直明教授と共同研究を開始することとなりました。

■共同研究先：横浜国立大学　藪内直明教授について

横浜国立大学工学研究院機能の創成部門　教授

2006年に、大阪市立大学大学院工学研究科応用化学専攻後期博士課程を修了。博士（工学）。博士取得後は、米国マサチューセッツ工科大学機械工学科で博士研究員として研究に取り組む。2010年には東京理科大学総合研究機構の助教に就任、2012年から同講師。2014年に東京電機大学工学部環境化学科准教授に就任。2018年4月より現職。2023年4月より、横浜国立大学先端科学高等研究院先進化学エネルギー研究センター先進蓄電池電池ラボラボ長 (https://acerc.ynu.ac.jp/) を併任、また、2023年6月に英国王立化学会のフェローに選出。

リチウムイオン電池の高機能化や、次世代電池であるナトリウム電池の開発などに取り組む。リチウムイオン電池向けの高電圧正極材料の開発に関しては、日本における第一人者。大手メーカーとの共同研究経験も豊富。GX実現を目指す国家プロジェクト「革新的GX技術創出事業（GteX）」の「高エネルギー密度を有する高温作動長寿命リチウム系電池の開発」において、正極材料開発のグループリーダーを務める。

研究室HP：http://www.yabuuchi-lab.ynu.ac.jp/

■共同研究の内容

リチウムイオン電池の高容量化を目指して、以下の2つの視点から共同研究を実施する予定です。

①高電圧リチウムイオン電池の実現

リチウムイオン電池は、充電電圧が高いほど容量が大きくなります。しかし、従来の導電助剤は電圧が高いと劣化しやすいため、電圧が高くても耐えられる導電助剤が求められていました。

今回は、藪内教授が開発した最先端の高電圧向け正極材料と、3DCの導電助剤用GMSを組み合わせることで、従来よりも高い電圧まで充電できる高容量なリチウムイオン電池の実現を目指します。導電助剤用GMSは「劣化に強い」「弾性変形することで電極の構造変化を吸収できる」という特徴があるため、高電圧リチウムイオン電池の実現に貢献できると期待しています。

②リチウムイオン電池電極の高密度化を実現

電子デバイスの小型化やEVの軽量化に伴い、小型でもより多くのエネルギーを蓄積できるリチウムイオン電池が求められています。このような高エネルギー密度のリチウムイオン電池を実現するには、電極に正極材料をできるだけ多く充填する必要がありますが、電極を高密度化すると電池の性能が落ちてしまう点が課題でした。

今回は、藪内教授が開発した最先端の正極材料と、3DCの導電助剤用GMSを組み合わせることで、上記問題の解決を目指します。

■共同研究によって3DCが目指すこと

藪内教授が開発する最先端のリチウムイオン電池向け正極材料と、3DCの導電助剤用GMSを組み合わせることで、リチウムイオン電池の性能を向上し、脱炭素社会の実現に貢献します。

■3DC代表取締役CEO　黒田拓馬　コメント

電池研究において、世界の最先端を走っている薮内研究室と共同研究を始められることにとても興奮しています。薮内先生の電池・活物質の研究開発力と弊社の炭素材料技術を組み合わせることで、リチウムイオン電池の進化をより一層推し進めていきます！

■「GMS」および「導電助剤用GMS」とは

GMSは、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、まさに「三次元型のグラフェン」素材。最も注目すべきはその柔軟性で、ゴムのように弾性変形することで電池の充放電に伴う激しい構造変化にも容易に対応できます。このような「弾性変形する炭素材料」を開発しているのは、世界でも3DCだけです。また、GMSは柔軟性以外にも、その材質や構造に由来する多孔性、導電性、耐食性を併せ持ちます。このように複数の優れた性質を有する革新的な材料であることから、GMSは、リチウムイオン電池における「容量を向上させようとすると別の特性が低下する」トレードオフ問題を解消し得る炭素材料として、全世界から注目されています。

3DCはこのGMSをリチウムイオン電池の導電助剤向けにアレンジし、「導電助剤用GMS」を開発しました。3DCが提供する導電助剤用GMSは、良好な導電パスを効率的に形成する独自構造を採用。これにより、カーボンブラックやカーボンナノチューブといった従来の導電助剤よりも少ない添加量で、高電圧・ハイレートの正極や、高エネルギー密度が期待されるシリコン系負極の性能向上に貢献できます。

■3DCについて

3DCは、脱炭素社会で必須となるリチウムイオン電池や次世代電池、キャパシタ、燃料電池といった蓄電・発電デバイスの電極に使用するカーボン新素材「グラフェンメソスポンジ（GMS）」を開発する東北大学発のベンチャー企業です。

3DCは現在、2026年以降の本格的な市場参入に向け、国内外の電池・電池材料・キャパシタ・自動車メーカーなどと協力してGMSの導入実証を進めているところです。リチウムイオン電池向けを始めとして、競合製品よりも優位な評価結果を出せており、電池メーカーなどから積極的な引き合いをいただいております。

2024年1月にはプレシリーズA 1stクローズとして2.5億円の資金調達を実施し、累計調達額は6.8億円に到達しました。また、2024年2月にはリチウムイオン電池の寿命・性能の向上に寄与する「導電助剤用GMS」の出荷を開始し、現在はその量産化に向けて精力的に準備を進めているところです。

将来的には、電気エネルギーを蓄積・使用するあらゆる場面でGMSが活躍する、環境と人にやさしい未来社会を実現したいと考えています。