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合金設計技術を応用してマグネシウム金属電池の容量向上に成功 ~構造材開発の知見を電池に生かし,低コストかつ大容量蓄電池の実現へ前進~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)は2020年9月30日,同機構エネルギー・環境材料研究拠点の万代 俊彦主任研究員および構造材料研究拠点の染川 英俊グループリーダーの共同研究により,従来の材料よりも電気化学的活性に優れるマグネシウム合金材を開発し,マグネシウム金属電池の容量を約20%向上させることに成功した,と発表した.国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発・特別重点技術領域「次世代蓄電池」(ALCA-SPRING)の一環として行われ,成果は英国王立化学会誌Chemical Communicationsで公開された(注).

 地球温暖化防止に向け,エネルギーの低炭素化が進められている.再生可能エネルギーの太陽光や風力発電は,気象に左右され,安定供給に懸念がある.このため,好天時の発生電力を蓄える蓄電池の需要が高まっている.現在の蓄電池の主流はリチウムイオン電池であるが,コバルト(Co)やリチウム(Li)などの希少金属を使用し,資源に懸念がある.そこで,地殻埋蔵量がLiの1700倍以上もあるマグネシウム(Mg)を負極に用いたMg金属電池が注目されるようになった.Mgを負極に用いると現行の炭素(C)負極に比べ,4-7倍の電気を貯蔵できる.しかしながら,Mgの加工が難しいため,Mg負極の研究は少なかった.そこで,NIMSでは,Mg電池電解質開発を専門とする万代氏と,構造材料Mg合金の開発を専門とする染川氏が共同して,NIMSで醸成されてきた冶金学的アプローチを電池研究に適用することとなった.

 金属の物理特性・機械特性は金属組織構造によって大きく異なり,極く微量の不純物の混入に左右される.そこで,Mg金属の,①結晶方位,②結晶粒の大きさ,③添加元素の種類の3点に着目した.まず,Mg金属は六方晶格子からなり,六方晶格子は底面(0001面)の原子配列が稠密な一方,柱面(1010面)の原子配列は希薄なため,底面配向の単結晶の方が柱面配向の単結晶よりも電流が流れやすいことが分かった.次に,圧延や押出などの加工法や加工温度によって結晶粒のサイズを制御し,結晶粒サイズの異なる多結晶Mg試料を作製し,電圧電流測定からその電気化学的性質を評価したところ,20μm以下の微細な結晶粒からなるMg材の方が,100μm以上の粗大粒からなるMg材よりも良好な応答を示し,単位面積あたりの電流値(電流密度:mA/cm2)は約3倍になった.さらに,0.3at.%の極微量異種元素(Al,Ag,Bi,Ca,Li,Mn,Pb,Y,Zn)を添加した微細粒からなる多結晶Mg合金材を作製し,電気化学特性を評価したところ,Mg-Ca合金材は純Mg材の3倍の電流密度を示し,極めて安定な溶解・析出挙動を80サイクル以上継続した.CaはMgよりも結晶格子が大きいため,CaがMgの結晶粒界に偏析して格子歪みを生じ,粒界破壊を誘起して,Mgが溶解しやすくなると考えられる.これらの結果をもとに,Mg-Caを負極材,マグネシウムマンガン酸化物 MgMn2O4を正極材としたMg電池の放充電試験を行ったところ,純Mg材を負極に用いた場合に比べて,放電容量が20%向上することが分かった.

 今後,この成果をもとに,Mg材の金属組織構造の最適化に取り組んで行くとしている.

(注)Toshihiko Mandai  and  Hidetoshi Somekawa, "Metallurgical approach to enhance electrochem-ical activity of magnesium anodes for magnesium rechargeable batteries", Chemical Communications, 2020, Advance Article, DOI: 10.1039/D0CC05373B; First published 25 September 2020