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市販の電池に使われている有害な化学電解質を水に置き換えることで、科学者たちはリサイクル可能な世界初の「水電池」を開発した。

スマートフォンから電気自動車まで、バッテリーはあらゆるものに電力を供給するが、リチウムイオン電池は危険で有毒な電解質を使用している。「水電池」は、正式には水系金属イオン電池として知られているもので、マグネシウムや亜鉛などの金属を使用し、現在他の種類の電池に使用されている材料よりも組み立てが安く、毒性も低い。

水電池の性能はまだリチウムイオン電池には及ばないが、発明者たちは、今後5年から10年のうちに、数々の進歩と計画された改良によって、その差は縮まるだろうと述べている。

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(Credit: Carelle Mulawa-Richards, RMIT University.)

電池は、電池のプラス端(正極)からマイナス端(負極)へ移動する電子の流れを作ることでエネルギーを蓄える。電子の流れが逆向きになると、エネルギーを消費する。

従来の電池では、有機電解質がプラスとマイナスの端子間に電流を流す。リチウムイオン電池では、リチウム塩を溶かす液体溶媒が電解質として機能する。残念ながら、これらの材料は高温や高圧にうまく反応しないことが多い。最悪の場合、発火や爆発に繋がる恐れさえあるのだ。水電池の場合、電解液は硫酸やリチウム塩のようなものではなく、塩を少し加えた水である。

RMIT大学のTianyi Ma特別教授が率いる国際研究チームは、より良い代替品を求めて、この危険で有毒な電解質を、普通のH2O(水)に置き換える方法を発見した。その結果、リチウムイオン電池のように機能するエネルギー貯蔵媒体が完成した。

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(Credit: Carelle Mulawa-Richards, RMIT University.)

これを達成するために、チームは水電池のショートを防ぐ方法を考え出した。ショートとは、デンドライト(樹状突起)と呼ばれる小さな金属突起が電池内の金属負極に形成され、電池の区画を突き破ってしまう現象である。

水系金属イオン電池を使用する上で大きな障害となっているのが、デンドライトの成長である。これを抑制するため、研究者たちは電池の亜鉛負極を酸化して錆を形成するビスマス金属でコーティングした。これにより保護層が形成され、デンドライトの形成が阻止される。

この機能により、試作した水電池は長持ちし、500サイクル使用後も85%以上の容量を維持することができた。

Ma氏は、安全性の向上とともに、水電池は、より環境に優しい電池であるとも言っている。従来の電池は、使えなくなった後の廃棄が困難なため、この問題にも悩まされてきた。

「消費者、産業界、政府が現在のエネルギー貯蔵技術で世界的に直面している使用済み廃棄の問題に対処するため、私たちのバッテリーは安全に分解することができ、材料は再利用またはリサイクルすることができます」とMa氏は語った。

同氏はまた、彼らの水電池はエキゾチックな材料などを必要とせず、簡単に入手できる低コストの材料で作ることができると述べた。このことは、水電池を市場に投入しようとする際に非常に重要になる。

「マグネシウムや亜鉛のような、自然界に豊富に存在し、安価で、他の種類の電池に使用される代替品よりも毒性の低い材料を使用しています。これは、製造コストを削減し、人の健康や環境へのリスクを低減する事に繋がります」とMa氏は説明する。

出力密度に関しては、まだリチウムイオン電池に大きく遅れをとっているが、その差は縮まっているという。

「私たちは最近、エネルギー密度が1キログラムあたり75ワット時(Wh kg-1)のマグネシウムイオン水電池を作りました。これは、市販のTesla社用バッテリーの最大30%に達します」。

マグネシウムイオン水電池は、3年以内に鉛電池に取って代わる可能性があり、10年のスパンで見た場合、リチウムイオン電池に取って代わる可能性があると、Ma氏は指摘する。マグネシウムは、亜鉛よりも軽く、潜在的なエネルギー密度が高く、好ましい材料だ。

Ma氏によれば、水電池は製造プロセスが単純であるため、大量生産がより容易になると語った。また、この電池は、再利用やリサイクルのために安全に分解することができ、現在のエネルギー貯蔵技術を悩ませている使用済み電池の廃棄の問題に対処することができる。

事実上、研究室で開発される電池の進歩はどれもそうであるように、この電池もまだ実用化にはほど遠い。研究者たちは、一般的な家電製品に使われているリチウムイオン電池に匹敵するものにするため、電極として使用する新しいナノ材料を開発し、電池設計のエネルギー密度を向上させようと積極的に取り組んでいる。


論文

参考文献

研究の要旨

また、アノード-電解質界面での化学的不安定性が有害な副反応を引き起こす。(i)化学的に不活性な界面保護機構が副反応を抑制し、(ii)革新的な熱力学的に有利なZn原子クラスター解離機構がデンドライト形成を阻害する。共同変調挙動に助けられ、Zn@Bi/Bi2O3対称セルは、5 mA cm-2で1.88 Ah cm-2の超高積算メッキ容量と、高電流密度・高放電深度(10 mA cm-2、DODZn:60%)でも300時間の超長寿命を実現した。さらに、低い電解液/容量比(E/C:45 µL mAh-1)と負/正容量比(N/P:6.3)の下で、Zn@Bi/Bi2O3||MnO2フルセルは、1 A g-1で500サイクル後に86.7%という優れた容量保持率を示し、既存のほとんどのインターフェーズを凌駕した。スケールアップしたZn@Bi/Bi2O3||MnO2電池モジュール(6V、1Ah)は、太陽光発電パネルと組み合わされ、優れた再生可能エネルギー貯蔵能力と長い出力寿命(12時間)を示す。この研究は、超安定なZn負極を実現する素晴らしい相乗メカニズムを提供し、他の金属系電池への応用を大いに期待できる。

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