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リチウムイオン蓄電池より高性能? 京大が新型マグネシウム二次電池を開発

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京都大学の研究グループと高輝度光科学研究センターは、既存のリチウムイオン蓄電池に置き換わることが可能な高エネルギー密度マグネシウム金属二次電池の開発に成功した。開発された二次電池は、埋蔵量の多いマグネシウム、鉄、シリコンが主な構成元素で低コスト化が期待される。また、融点の高いマグネシウム金属に置き換えたことで電池の熱的安定性が改善され、従来のリチウムイオン電池よりも飛躍的に安全性が向上する。

今後の研究開発により、マグネシウム二次電池の実用化が加速され、安価で安全な電気エネルギーの貯蔵媒体が実現することで、変動の大きい再生可能エネルギーを貯蔵するなど新しいエネルギー安定供給の道が拓かれることが期待される。

今回の研究では、正極材料の結晶構造を精密に制御することにより、マグネシウムイオンの拡散パスを確保したMgFeSiO4正極材料を報告。この材料を用いることで、既存の正極材料と比較して2倍のマグネシウムイオンを挿入脱離することが可能となった。この材料はSi-Oの結合によって安定化されているため、長期間にわたって充放電を繰り返すことが可能。さらに、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホンイミドとトリグライムを組み合わせた電解質によるマグネシウム金属負極の安定な動作を実証している。

なお、同研究では、大型放射光施設Spring-8の高輝度放射光を用いることにより、安定で高エネルギー密度の充放電反応のメカニズムの解明に成功。そして、この正極と電解質にマグネシウム金属を負極として組み合わせることで、世界最高性能のマグネシウム二次電池の作製を実現させた。

マグネシウム二次電池は高い理論容量密度を持ち、資源量が豊富で安全性が高いため、リチウムイオン電池を超える二次電池として実用化が期待されている。しかし、二価のマグネシウムイオンは一価のリチウムイオンと比較して相互作用が強く、固相内で拡散しにくく電極反応が極端に遅いことが問題だった。また、マグネシウム金属を繰り返し溶解析出することが可能な、安定かつ安全に充電・放電を行うためのマグネシウム電解液が見つかっていない。つまり、マグネシウム二次電池の創製には、正極・電解液それぞれの問題点を解決する必要があった。

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