マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは、電気自動車（EV）向けバッテリーで通常用いられるレアメタルを用いるのではなく、新たに有機材料をベースにした正極（カソード）を用いたバッテリー材料の開発に成功した。従来のEVバッテリーに用いられているコバルトやニッケルなどのレアメタルは、その採掘方法の問題や、コスト、何より中国などへの依存と言った政治的に不安定なサプライ・チェーン（主に不安定な地域に集中している）という課題が問題視されていたが、今回MITの研究者らが開発した新たなバッテリーはそのような不都合な問題を抱えることなく、同等の性能を発揮する可能性がある。
MITのW.M. Keck教授（エネルギー学）のMircea Dincă氏は、MIT Newsに次のように語っている。「この材料は、本当によく機能するので、大きなインパクトを与えることができると思います。そして、現在バッテリーに使われている金属の採掘にかかるコストや労力、環境問題を大幅に削減することができます」。
『ACS Central Science』誌に最近掲載されたこの研究は、この革新的な正極材料が、従来のコバルトと同程度に電気を通し、同程度の蓄電容量を持ち、さらに高速充電が可能であることを示している。
高価で入手性が不安定なコバルトの代替材料については多くの研究が行われている。そのひとつがリン酸鉄リチウム（LFP）で、一部の自動車メーカーが電気自動車に採用し始めている。まだ実用的ではあるが、LFPのエネルギー密度はコバルトやニッケル電池の約半分しかない。
もうひとつの魅力的な選択肢は有機材料だ。だが、これまでのところ、有機材料はコバルト含有電池の導電性、貯蔵容量、寿命に及ばないことがほとんどだ。導電性が低いため、このような有機材料は通常、導電性ネットワークの維持を助けるポリマーなどのバインダーと混合する必要がある。材料全体の少なくとも50％を占めるこれらのバインダーは、電池の蓄電容量を低下させる。
約6年前、MITのDincă氏の研究室は、高級自動車会社Lamborghiniの資金提供を受けて、電気自動車に使用できる有機バッテリーを開発するプロジェクトに取り組み始めた。部分的に有機、部分的に無機の多孔質材料に取り組んでいたとき、Dincă氏と彼の学生たちは、彼らが作った完全な有機材料が強力な伝導体である可能性があることに気づいた。
この材料は、TAQ（ビス-テトラアミノベンゾキノン）-3つの縮合六角環を含む有機低分子の多数の層から構成されている。これらの層はあらゆる方向に伸びることができ、グラファイトに似た構造を形成する。分子内には、電子リザーバーであるキノンと呼ばれる化学基と、材料が強い水素結合を形成するのを助けるアミンと呼ばれる化学基がある。
この水素結合によって、材料は非常に安定し、また非常に不溶性になる。この不溶性が重要なのは、一部の有機電池材料がそうであるように、材料が電池電解液に溶けるのを防ぎ、寿命を延ばすことができるからである。
「有機材料の主な劣化方法のひとつは、単純に電池の電解液に溶けて電池の反対側に渡り、本質的に短絡を起こすことです。材料を完全に不溶性にすれば、このプロセスは起こらないので、劣化を最小限に抑えながら2,000回以上の充電サイクルが可能になります」と、Dincă氏は説明する。
この材料のテストでは、導電性と蓄電容量が従来のコバルト含有電池に匹敵することが示された。また、TAQ正極を使用した電池は、既存の電池よりも速く充放電できるため、電気自動車の充電速度を速めることができる。
有機材料を安定させ、銅やアルミニウムでできた電池の集電体への密着性を高めるため、研究者らはセルロースやゴムなどの充填材を加えた。これらの充填材は正極合材全体の10分の1以下であるため、電池の蓄電容量を大きく低下させることはない。
また、これらの充填剤は、充電時にリチウムイオンが正極に流れ込む際に正極が割れるのを防ぎ、電池の寿命を延ばす。
このタイプの正極を製造するのに必要な主な材料は、キノン前駆体とアミン前駆体であり、これらはすでに市販されており、汎用化学物質として大量に生産されている。研究者たちは、この有機電池を組み立てるための材料費は、コバルト電池の3分の1から2分の1程度になると見積もっている。
研究に資金を提供したLamborghiniはすでにこの有望な技術のライセンス権を獲得しており、この技術が商業的関心を呼んでいることを物語っている。Dincă氏の研究室では、さらなるブレークスルーを目指し、リチウムをナトリウムやマグネシウムのような、より豊富に入手可能な元素に置き換える可能性を検討しながら、バッテリー技術のフロンティアを探求し続けている。
論文
- ACS Central Science: A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast-Charging, and Long-Lasting Li-Ion Batteries
参考文献
- MIT News: Cobalt-free batteries could power cars of the future
- via TechCrunch: Lamborghini licenses MIT’s new high-capacity, fast-charging organic battery tech
研究の要旨
正極材料における重要金属の使用をなくすことで、リチウムイオン二次電池の世界的な普及を加速することができる。地球上に豊富に存在する元素のみから得られる有機正極材料は、原理的には理想的な代替材料であるが、導電性が低い、実用的な蓄電容量が低い、サイクル性が低いなどの理由から、無機正極に対抗するには至っていない。ここでは、高い導電性、高い貯蔵容量、完全な不溶性により、Li+イオンの可逆的インターカレーションを可能にし、電極レベルで無機ベースのリチウムイオン電池正極とすべての関連指標で競合できる層状有機電極材料について述べる。我々の最適化された正極は、306mAh g-1cathodeを蓄え、765Wh kg-1cathodeのエネルギー密度を提供し、ほとんどのコバルトベースの正極よりも高く、わずか6分で充放電できる。これらの結果は、実用的なバッテリーにおける持続可能な有機電極材料の運用競争力を実証している。
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