マグネシウム酸化物の合成／構造解明に成功：次世代電池の開発に貢献

東京理科大学は2023年2月15日、高い放電容量を持ち、蓄電池の正極材料として使用可能なマグネシウム酸化物の合成および結晶構造、電子状態の解明に成功したと発表した。

[半田翔希，EE Times Japan]

　東京理科大学は2023年2月15日、高い放電容量を持ち、蓄電池の正極材料として使用可能なマグネシウム酸化物（Mg_1.33V_1.67-xMn_xO₄,x=0.1〜0.4）の合成および結晶構造、電子状態の解明に成功したと発表した。

　特に、Mg_1.33V_1.57Mn_0.1O₄（x=0.1）を正極に組み込んだマグネシウム二次電池を作製し、充放電サイクルを繰り返し行うと、256mAh/gという最も大きな放電容量を示すことが分かった。今後、研究の発展により、既存のリチウムイオン二次電池の電池特性を超える優れたマグネシウム二次電池の実現につながると期待される。

研究のイメージ［クリックで拡大］ 出所：東京理科大学

　近年、脱炭素社会の実現に向けて蓄電池の需要が高まっていて、リチウムイオン二次電池は、その主流としてスマートフォンやPC、電気自動車（EV）などさまざまな場面で使用されている。一方で、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度には限界がきているともいわれていて、より高い電池特性を持つ蓄電池の開発が喫緊の課題となっている。

　マグネシウム二次電池は、安全で扱いやすく資源量も豊富なため、低コスト化が期待できると共に、体積当たりの放電容量も大きく、リチウムイオン二次電池を超える蓄電池として実用化への期待が高まっている。同研究グループは、過去の研究でMg（Mg_0.5V_1.5-xNi_x）O₄など、マグネシウム（Mg）と他の複数の金属元素を含む複合酸化物の結晶構造や電子構造、電池特性について明らかにしている。

　本研究では、高性能が期待される正極材料の開発を目指して、マグネシウム、バナジウム（V）、マンガン（Mn）の3種類の金属元素を含む複合酸化物に着目。原材料である多結晶体を融解させることなく、固相から直接単結晶を成長させる方法（固相反応法）を用いて新たに4種類のマグネシウム酸化物（Mg_1.33V_1.67-xMn_xO₄,x=0.1〜0.4）の合成を行った。

　各種分析の結果、いずれの酸化物も立方晶で空間群Fd3mを有するスピネル型構造を形成していることが示唆された。また、放電容量は充放電のサイクル数、Mn組成比、作動温度によって変化することが分かった。特に、Mg_1.33V_1.57Mn_0.1O₄（x=0.1）においては、充放電サイクルを繰り返し行うと、13サイクル目で256mAh/gという大きな放電容量を示した。これは、VO₆八面体のゆがみが16dサイトを占有するMnイオンによって緩和され、x=0.1の酸化物で最も小さくなるため、ホスト構造が安定していることが要因であると考えられる。

　東京理科大学教授の井手本康氏はリリースで、「今回開発したマグネシウム二次電池は、リチウムイオン二次電池の性能を凌駕（りょうが）するポテンシャルを持っていて、次世代の高エネルギー密度の二次電池としての役割が期待される」とコメントした。

　なおこの研究成果は、2022年12月8日に国際学術誌「Journal of Electroanalytical Chemistry」にオンライン掲載された。