テキサスA&M大学の科学者たちは、現在普及しているリチウムイオン電池の代わりに、いつか幅広い用途に使用できるように、金属を含まない水ベースの電池電極の研究を進めてきた。

金属を含まない水ベースのバッテリー

今週『Nature Materials』に掲載された論文では、水電池は、従来の電池と同様に、正極（マイナスを帯びた電極）、負極（プラスを帯びた電極）、電解液で構成されている事が解説されている。しかし、この水電池では、正極と負極はエネルギーを貯蔵できるポリマーであり、電解液は有機塩を混ぜた水である。

電解液は、電荷を運ぶ粒子であるイオンを正極と負極の間で行き来させ、電極との相互作用を通じてエネルギー貯蔵の鍵にもなっている。

化学工学の教授で共著者のJodie Lutkenhaus博士はこう断言する：

サイクル中に電極が膨らみすぎると、電子の伝導が悪くなり、せっかくの性能が台無しになってしまいます。

膨潤効果のため、電解液の選択によって、蓄電容量に1,000％の差があると思います。

論文によると、この電極である「酸化還元活性非共役ラジカルポリマー」は、高い放電電圧と速い酸化還元速度を持っていることから、水系電池の有望な候補となる。

しかし、研究者は論文の要旨でこう記している：

[これらの高分子の水中でのエネルギー貯蔵機構については、ほとんど知られていない。電子、イオン、水分子が同時に移動するため、反応自体が複雑で解決するのが難しい。

研究者らは、水系バッテリーがコバルトやリチウムなどの金属不足を緩和し、バッテリー火災の可能性をなくすことができるかもしれないと示唆している。

Lutkenhaus氏は続けた：

水だから電池の火災はもうない。

将来、材料不足が予測されれば、リチウムイオン電池の価格は一気に上昇します。もし、この代替電池があれば、ここアメリカで製造でき、作るための材料もここにあるため、供給がずっと安定しているこの化学に頼ることができます。

また、一部の実験では、塩分や水分の濃度を測定することで、電解液中の特定の塩と正極の相性が良いかどうかをマクロに観察することができた。

研究チームは、今後さらにシミュレーションを行い、電池の仕組みの理論をより深く理解し、電池を作るためのより良い材料の設計に役立てる予定だ。

論文

• Nature Materials: The role of the electrolyte in non-conjugated radical polymers for metal-free aqueous energy storage electrodes

参考文献

• Wevolver: Team finds major storage capacity in water-based batteries
• via Interesting Engineering: New water-based battery could help reduce dependence on lithium for energy storage

研究の要旨

メタルフリー水系電池は、リチウムイオン電池に見られる戦略金属の不足と安全性の問題を解決できる可能性があります。具体的には、酸化還元活性を持つ非共役ラジカルポリマーは、高い放電電圧と速い酸化還元速度を持っているため、金属を含まない水系電池の有望な候補である。しかし、水系環境下でのこれらのポリマーのエネルギー貯蔵メカニズムについては、ほとんど知られていない。電子、イオン、水分子が同時に移動するため、反応自体が複雑で解明が困難である。ここでは、電気化学的な水晶振動子マイクロバランスを用いて、カオ／コスモトロピック特性が異なる水性電解質を調べ、さまざまな時間スケールで散逸をモニターすることにより、ポリ（2，2，6，6-テトラメチルピペリジニルオキシ4-イルアクリルアミド）の酸化還元反応の性質を明らかにした。その結果、電解質によって容量が1,000%も変化し、特定のイオンがより優れた動力学、高容量、高サイクルを可能にすることが分かった。