電気自動車の充電時間を短縮するには、充電設備の高出力化だけでなく、電池内部でリチウムイオンが移動する際の抵抗を減らす必要がある。金属リチウムを負極に用いるリチウム金属電池は、従来のリチウムイオン電池を上回るエネルギー密度が期待される次世代電池の有力候補だ。しかし、急速充電時には電極表面へのリチウムイオンの供給が不均一になりやすく、樹枝状の金属リチウム結晶である「デンドライト」が成長することで、電池の劣化や内部短絡を引き起こす危険性がある。
韓国科学技術院（KAIST）化学科のDong Ki Yoon教授とHye Ryung Byon教授らの共同研究チームは、この問題に対して液晶高分子の分子配向を制御する新たな手法を開発した。高分子内のナノ細孔を電極面に対して垂直に配向させることで、リチウムイオンの移動経路の曲折率を水平配向の場合の約2.5分の1に低減したという。研究成果は2026年9月28日に学術誌『ACS Nano』でオンライン公開され、10月13日付の第20巻第40号に掲載された。KAISTは11月9日、次世代電池の急速充電性能を改善する基礎技術として研究成果を発表した。
今回の成果で注目されるのは、新しい高分子材料を開発したことだけではない。研究チームは、同等の化学組成と細孔構造を持つ膜について、分子の配向方向を膜面に平行な「水平配向（プラナー配向）」と、膜厚方向に揃えた「垂直配向（ホメオトロピック配向）」に変え、イオン輸送特性を比較した。その結果、配向方向の違いがイオンの移動効率だけでなく、電極表面でのリチウムの析出状態にも大きく影響することが確認された。
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| 有効曲折率（相対値） (相対値（垂直配向＝1）) | |
|---|---|
| 水平配向（プラナー） | 2.5 |
| 垂直配向（ホメオトロピック） | 1 |
垂直配向したセパレーターでは、炭酸塩系電解液中で1.77mS/cmのイオン伝導度と、0.12eVの低いイオン移動活性化エネルギーが報告されている。ただし、曲折率の約2.5倍という差は相対比較であり、ここに示したグラフの値は曲折率の絶対値ではない。また、これらの物性値が優れているからといって、電気自動車の15分充電が実用化されたわけでもない。今回の成果は実験室規模での原理実証であり、その意義を評価するには、確認された性能と実用化に向けて残された課題を区別する必要がある。
迷路のような移動経路を直線化する液晶高分子の垂直配向
従来のリチウムイオン電池では、主にポリオレフィンを延伸したり、相分離させたりして作る微多孔膜がセパレーターとして使われている。こうした膜の内部には複雑につながった微細な空隙があり、リチウムイオンはその入り組んだ経路を通って正極と負極の間を移動する。この経路の複雑さを表す指標が「曲折率（Tortuosity）」であり、一般に曲折率が高いほど、膜厚方向のイオン輸送に対する抵抗が大きくなる。金属リチウム負極では、イオンの供給が局所的に偏ると電析が不均一になり、デンドライトの成長につながる可能性がある。
KAISTの研究チームは、分子が一定の方向に並ぶ液晶の自己組織化特性に着目した。液晶は液体の流動性と結晶の秩序性を併せ持ち、表面処理などによって分子の配向方向を制御できる。研究チームは、リチウムイオンとの配位相互作用によってイオン輸送を助けるポリエチレングリコール（PEG）鎖を導入した液晶分子を合成し、配向を制御した状態で架橋・固定化した。こうして、直径約19nmのナノ細孔チャネルを持つ液晶高分子（PEG-LCP）膜を作製した。
この膜の特徴は、ナノ細孔の方向を制御できることにある。水平配向膜ではチャネルが主に膜面に沿って延びるのに対し、垂直配向膜では膜厚方向にチャネルが形成される。後者はリチウムイオンが電極間を移動する方向と一致するため、より直接的な輸送経路となる。研究チームは両者の化学組成や細孔構造を同等に保ち、配向方向が輸送特性に及ぼす影響を比較した。
| 特性項目 | 水平配向PEG-LCP | 垂直配向PEG-LCP | 評価上の注意点 |
|---|---|---|---|
| 分子の配向方向 | 電極面に対して平行 | 電極面に対して垂直 | 表面処理によって配向を制御 |
| ナノ細孔チャネル | 約19nm、主に膜面方向 | 約19nm、膜厚方向 | 細孔径と基本構造は同等 |
| 有効曲折率 | 相対的に高い | 水平配向の約2.5分の1 | 絶対値ではなく相対比較 |
| イオン伝導度 | 垂直配向より低い | 1.77mS/cm | 炭酸塩系電解液中での測定 |
| リチウム析出形態 | 不均一な析出が生じやすい | 均一な析出を促進 | デンドライトの抑制であり、完全な防止ではない |
| 4C条件での容量維持率 | 対照群では早期に容量低下 | 100サイクル後に94% | NCM811正極を用いた実験室規模のフルセル |
研究チームによると、垂直配向によって有効曲折率は水平配向の場合の約2.5分の1に低下した。従来とは異なる化学組成の材料を次々に探索するのではなく、分子の配向方向を変えることでイオン輸送の効率を改善できることを示した点に、この研究の重要性がある。材料設計において、分子配向を独立した制御要素として活用できる可能性が示されたといえる。ただし、配向制御に伴う微細構造や界面状態の変化も電池性能に影響し得るため、観察された改善のすべてを単純な経路長の違いだけで説明できるとは限らない。
また、デンドライトの成長を抑制できたことと、その発生を完全に防止できたことは区別しなければならない。研究チームが確認したのは、イオンの供給が均一になることで金属リチウムの析出状態が改善し、樹枝状や多孔質状の成長が抑えられたという結果である。金属リチウムと電解液の界面で起こる副反応や内部短絡のリスクが、根本的に解消されたわけではない。
イオン伝導度と活性化エネルギーから読み解く輸送機構
KAISTは今回の垂直配向構造を、リチウムイオンが電極へ向かって効率よく移動できる「ハイウェイ」に例えている。この比喩が意味するのは、セパレーター内部のイオン輸送経路を電極間の移動方向に揃えることで、移動に伴う抵抗を減らすという仕組みだ。ただし、輸送効率の改善を評価するには、経路の形状だけでなく、実際のイオン伝導度や移動に必要な活性化エネルギーも確認する必要がある。
『ACS Nano』に掲載された論文によると、垂直配向PEG-LCPセパレーターは、炭酸塩系電解液中で1.77mS/cmのイオン伝導度を示した。また、リチウムイオン移動の活性化エネルギーは0.12eVと報告されている。電解液を含浸させた一般的なポリオレフィンセパレーターで報告される1mS/cm前後という値と比較しても、良好な伝導特性といえる。ただし、イオン伝導度は電解液の組成や温度、膜の構造などによって変わるため、測定条件が異なる材料間の単純な優劣を示すものではない。
急速充電を妨げる要因は、セパレーター内部のイオン輸送抵抗だけではない。金属リチウム負極では、イオンの供給に偏りがあると局所的な電析が進み、電極表面が粗くなりやすい。表面積が増えると電解液との副反応が進行し、固体電解質界面相（SEI）が過剰に形成されることで、リチウムや電解液が消費される。こうした反応は充放電の可逆性を低下させ、電池寿命を縮める原因となる。
今回の研究では、垂直配向PEG-LCPが作り出す方向性のあるイオンフラックスによって、樹枝状や多孔質状のリチウム成長だけでなく、過剰な界面相の形成も抑えられたと報告されている。これは、セパレーターを通過するイオンの移動効率だけでなく、電極表面に到達するイオンの分布も重要であることを示唆している。イオンが比較的均一に供給されれば、局所的なリチウム析出やそれに伴う副反応を抑えられる可能性がある。
つまり、この研究の意義は、単にイオンを速く移動させたことではない。分子配向の制御によってイオンの輸送経路を整え、電極表面での析出状態と界面の安定性を改善したことにある。ただし、曲折率の低下、イオン伝導度の向上、デンドライトの抑制、電池寿命の延長は、それぞれ異なる評価項目だ。今回の実験結果はこれらの関連性を裏付けているものの、曲折率を下げるだけであらゆる条件の電池が長寿命化することを保証するものではない。
4Cの高速充電で100サイクル後に94%の容量を維持
研究チームは、開発したセパレーターを実験用のリチウム金属電池に組み込み、充放電性能を評価した。負極には金属リチウムを、正極には高ニッケル系材料のNCM811（）を採用し、フルセルを構成している。これにより、セパレーター単体の物性測定に加えて、電池として作動させた場合の性能も検証した。
その結果、4Cという高速充電条件で100サイクルの試験を行っても、初期容量の94%を維持したという。平均クーロン効率は99.86%に達し、水平配向膜を使用した対照群と比べて良好なサイクル特性が確認された。クーロン効率は、充電で蓄えた電荷に対して放電時に取り出せた電荷の割合を表す指標であり、電池内部の副反応や不可逆的なリチウム消費を評価する手がかりとなる。
ここで注意したいのが、「4C」という充電レートの意味である。Cレートは電池の定格容量を基準にした充放電電流の大きさを示し、1Cは定格容量に相当する電荷を1時間で移動させる電流、4Cはその4倍の電流に相当する。したがって4Cは、計算上15分で定格容量に相当する電荷を供給できる電流条件を意味する。ただし、実際の満充電までの所要時間は電圧制限や充電方式、温度、電池の状態などに左右されるため、今回の実験結果がそのまま「電気自動車を15分で満充電できる技術」の実証を意味するわけではない。
また、100サイクルという試験期間は、車載用電池の実用化を判断するには短い。電気自動車向けの電池では、用途や設計目標によって異なるものの、一般に1,000〜1,500サイクル以上にわたって80%以上の容量を維持することなどが長寿命化の目安となる。さらに、充放電による劣化だけでなく、高温環境や満充電状態での長期保管による劣化、温度変化への耐性、衝撃や圧壊に対する安全性なども評価しなければならない。100サイクル後の容量維持率が高いことは有望な結果だが、それだけで実用的な寿命や安全性が証明されたとはいえない。
今回報告された99.86%という平均クーロン効率と均一なリチウム析出は、単なる高速充電性能以上に重要な結果と考えられる。金属リチウム電池では、充放電のたびに生じるわずかな不可逆反応が積み重なり、長期的な容量低下を招くためだ。イオンの移動経路を整えることによって界面反応を安定化できれば、急速充電と長寿命化を両立する設計につながる可能性がある。ただし、実用的なセル条件で同等の性能を維持できるかは、まだ確認されていない。
特に重要なのが、負極の金属リチウム量、電解液量、正極の活物質目付量である。実験室のコインセルでは、良好なサイクル特性を得るために、実用電池よりも多量の金属リチウムや電解液を使用する場合がある。一方、高エネルギー密度の実用セルでは、余剰リチウムを減らし、電解液の使用量を抑えた「リーン電解液」条件で、高い正極目付量を確保する必要がある。今回の論文についても、正極目付量、電解液量と容量の比率、負極と正極の容量比であるN/P比などを補足資料まで含めて確認しなければ、商用セルに近い条件での性能を判断することは難しい。
実用化に向けた課題は大面積製造と機械的・熱的安定性
今回の研究には、KAIST博士課程のGeunjung Lee氏とRak Hyeon Choi博士が共同筆頭著者として参加し、Dong Ki Yoon教授とHye Ryung Byon教授が共同責任著者を務めた。研究は韓国科学技術情報通信部（MSIT）と韓国研究財団（NRF）の中堅研究者支援事業などの助成を受けて実施され、論文では金銭的な利益相反がないことが申告されている。KAISTも今回の成果を、量産可能な電池製品ではなく、次世代電池に応用できる基礎技術として紹介している。
実用化に向けた最大の課題の一つは、ナノ細孔の垂直配向を大面積で均一に形成できるかどうかだ。液晶分子の配向は、基板の表面状態や配向処理、電場・磁場などの外部条件によって変わる。実験室で小面積の薄膜を作製する場合と、工場のロールツーロール製造ラインで長尺フィルムを連続生産する場合とでは、配向を均一に保つ難しさが大きく異なる。局所的な配向の乱れやピンホールが生じれば、イオン輸送の不均一化や内部短絡の原因となる可能性があり、膜全体にわたる品質管理が不可欠となる。
膜厚と機械的強度の両立も重要だ。車載用電池のセパレーターには、巻き取りや積層工程で加わる張力に耐える引張強度に加え、電極表面の突起や微細なバリによって破損しない突刺強度が求められる。液晶高分子の自己組織化によって形成されたナノ多孔膜が、既存の延伸ポリオレフィン膜と同等以上の機械的特性を持つかどうかは、今後の検証が必要になる。また、薄膜化によってイオン輸送抵抗を減らせたとしても、機械的な耐久性や製造時の歩留まりが低下するようでは実用化は難しい。
さらに、異常発熱時の熱的安定性も確認しなければならない。セパレーターが高温で収縮したり破損したりすると、正極と負極が直接接触し、内部短絡や熱暴走につながる危険性がある。架橋した液晶高分子の耐熱性や、温度上昇によって配向構造が変化するかどうかは、安全性を評価する上で重要な項目となる。論文の補足資料には熱安定性に関する評価も含まれているが、実用セルで必要とされる安全性を確認するには、より幅広い条件での検証が求められる。
こうした課題を考えると、今回の成果を既存の車載用セパレーターに直ちに置き換えられる技術と捉えるのは適切ではない。一方で、化学組成だけでなく分子の配向構造を制御することで、イオン輸送と電極界面の安定性を改善できるという設計原理は、今後の材料開発にも応用できる可能性がある。特に、イオン輸送経路の方向性が重要となる高分子電解質や複合型セパレーターの研究にとって、参考になる知見といえる。
今後の焦点は実用条件での長期寿命と量産技術の確立
今回のKAISTの研究で重要なのは、100サイクル後の容量維持率という数値だけではない。セパレーターの分子配向を制御することでイオン輸送経路の曲折率を下げ、金属リチウムの析出状態と電極界面の安定性を改善できることを示した点にある。材料の化学組成を複雑化させるだけでなく、内部構造の方向性を設計することが、次世代電池の性能向上につながる可能性を明らかにした。
今後、実用化の可能性を見極める上では、まず実際の車載用電池に近い条件での再現性が重要となる。薄い金属リチウム負極、高い正極目付量、少量の電解液を組み合わせた条件でも、99.86%という平均クーロン効率や良好な容量維持率を再現できるかを確認する必要がある。特に、電解液量を減らした状態ではイオン輸送や界面反応の条件が変わるため、今回確認された垂直配向構造の効果がどの程度維持されるかが注目される。
次に求められるのが、500〜1,000サイクル以上にわたる長期試験だ。金属リチウム負極は充放電に伴って形状や体積が変化するため、セパレーターには繰り返し機械的な負荷が加わる。こうした条件下でもナノ細孔の構造と配向状態が維持され、イオン輸送経路が閉塞したり不均一になったりしないかを確かめなければならない。初期の充放電特性が優れていても、長期間の使用で配向構造が崩れれば、その利点は失われる可能性がある。
最後に、大面積で均一な垂直配向膜を安定して生産できる製造プロセスの確立が不可欠となる。既存のセパレーター製造ラインを活用できるのか、それとも新しい連続製膜技術が必要になるのかによって、量産コストや商用化の見通しは大きく変わる。今回の成果は、分子レベルの構造設計によってリチウム金属電池の性能を改善できることを示した有望な基礎研究である。その可能性を実用技術へと発展させられるかどうかは、実用セル条件での長期性能と、安全性、量産性を両立できるかにかかっている。
