筑波大、高性能な全固体マグネシウム空気一次電池を開発：正極向けに多孔質グラフェン開発

筑波大学は、安価で入手しやすい材料を用いながら、高い電池性能を発揮する全固体マグネシウム空気一次電池を開発した。多孔質グラフェンとマグネシウムを電極に用い、さらに電解液を固体化することで実現した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電解液を固体化し、長い放電時間と高い起電力を実現

　筑波大学数理物質系の伊藤良一准教授らは2023年10月、安価で入手しやすい材料を用いながら、高い電池性能を発揮する全固体マグネシウム空気一次電池を開発したと発表した。多孔質グラフェンとマグネシウムを電極に用い、さらに電解液を固体化することで実現した。

　マンガン乾電池やアルカリ乾電池、ニッケル水素電池といった一次電池は、二次電池に比べ製造コストが安価で安定した電圧が得られるため、さまざまな電気／電子機器に搭載されている。大容量化に向けては、金属空気一次電池なども登場した。ところが、その多くにリチウムや白金といった高価な金属電極が用いられている。そこで研究グループは、これまでより安くて、調達もしやすい電池材料を探してきた。

　研究グループは今回、正極向けに窒素元素を化学添加した多孔質グラフェンを開発した。「窒素ドープ多孔質グラフェン」の厚みは35μmである。負極向けには市販品の「マグネシウム合金板（AZ31）」を採用した。また、ポリアクリル酸ナトリウムゲルに1.0M食塩水を浸み込ませた「固体電解質」などを用い、全固体マグネシウム空気一次電池を作製した。

窒素ドープ多孔質グラフェンの表面像と断面像［クリックで拡大］ 出所：筑波大学

　作製した全固体マグネシウム空気一次電池について、研究グループは動作確認を行った。大気中で測定した開回路電圧（電流を流さない時の電圧）は1.86Vであった。白金炭素を正極に用いた全固体マグネシウム空気一次電池との性能比較も行った。この結果、放電速度依存性は同等で、放電時間は白金よりも長いことが分かった。また、負極から溶出したマグネシウム量を基に算出した電気容量は840mA/gとなった。出力密度は白金炭素を用いた全固体マグネシウム空気一次電池に比べ、約1.3倍も高くなった。

窒素ドープ多孔質グラフェンを用いた全固体マグネシウム空気一次電池とその性能［クリックで拡大］ 出所：筑波大学

　研究グループは、多孔質構造が放電性能に与える影響や、電解液を固体化した効果についても、そのメカニズムを調べた。この結果、圧力をかけて多孔質構造を潰した場合、放電時間は半分以下となり、起電力も下がった。これにより、多孔質構造が空気の供給路になっていることが分かった。電解液については、固体化したことで放電時間が長くなり、起電力も高くなった。液体電解液（食塩水）を用いた電極は、表面が腐食し性能の低下につながることが判明した。

　研究グループは今後、貴金属を用いずに充電可能なマグネシウム空気二次電池の開発を行う計画である。