東北大学、Mg蓄電池用正極材料の開発指針を示す:Zn-Mn系欠陥スピネル型酸化物を利用
東北大学は、名古屋工業大学や東京都立大学の研究グループと共同で、マグネシウム(Mg)蓄電池のサイクル特性を向上させる、新たな正極材料の開発指針を見つけ出すことに成功した。
高電位、高容量で高サイクル特性を実現
東北大学は2021年1月、名古屋工業大学や東京都立大学の研究グループと共同で、マグネシウム(Mg)蓄電池のサイクル特性を向上させる、新たな正極材料の開発指針を見つけ出すことに成功したと発表した。
代表的な蓄電池としてはリチウム(Li)イオン電池がある。この負極材料には「グラファイト」が用いられる。これに対しMg蓄電池の負極材料にはMg金属を用いる。Mg金属は、理論容量がグラファイトに比べて約6倍と高い。埋蔵量もはるかに多く材料コストも安価である。
このため、Mg蓄電池は次世代蓄電池として期待されている。ただ、高いサイクル特性を示す正極材料が限られるなど課題もある。Mg蓄電池を広く普及させるには、より高電位を実現できる酸化物系正極材料の開発が急務となっていた。
研究グループはこれまで、高い電位と容量を示す「スピネル型酸化物」に注目して研究を行ってきた。この中で課題となったのがサイクル特性の劣化である。そこで今回、Mgイオンの新たな拡散パスと収納サイトを導入するため、従来のスピネル型構造の八面体サイトにカチオン(陽イオン)欠損を有する「欠陥スピネル型構造」に着目。亜鉛(Zn)とマンガン(Mn)を用いた酸化物「ZnMnO3」を正極材料に利用した。
この結果、2〜3V級の電位と約100mAh/gの容量を維持しつつ、100サイクルを超える充放電が100日以上も安定して行えることを確認、高いサイクル特性を実現することに成功した。充放電時のエネルギー密度は200〜300Wh/kgと見積もった。これは従来型のLiイオン電池の理論エネルギー密度(370Wh/kg程度)に迫る値だという。
研究グループは、高サイクル特性が得られる仕組みについて、計算と実験により分析した。この結果、遺伝的アルゴリズムを用いた第一原理計算により、欠陥スピネル型構造がZnMnO3の安定構造であることを確認。Mgイオンがエネルギー的に優先してカチオン欠損サイトに挿入されることも分かった。
ZnMnO3のナノ粒子を合成して、欠陥スピネル型構造の解析を行った結果、計算で予測した構造とほぼ一致した。電気化学測定の実験では、温度を150℃に高めたイオン液体を用いた。Mgイオンの拡散を促進するためである。これにより、カチオン欠損サイトにMgイオンの挿入が優先される放電範囲では、これまでのように密な岩塩相を生成する反応ではなく、構造変化が抑制された放電反応になることが分かった。
今回の成果は、東北大学金属材料研究所の下川航平助教や市坪哲教授らによる研究グループと、同研究所の我妻和明教授、名古屋工業大学フロンティア研究院の中山将伸教授および、東京都立大学の金村聖志教授らによる研究グループとの共同研究によるものである。
関連記事
- 東北大、円偏光で界面に誘起されるスピンを発見
東北大学は、円偏光によって強磁性と非磁性の界面に誘起されるスピンを発見した。高速で消費電力が小さい光磁気メモリの開発に弾みを付ける。 - 直径2.3nmの新構造形状磁気異方性MTJ素子を開発
東北大学の研究グループは、直径が原子10個程度(2.3nm)と極めて小さい磁気トンネル接合(MTJ)素子を開発した。150℃の高温環境でも高いデータ保持特性を維持し、10ナノ秒という高速低電圧動作が可能なことも確認した。 - 日台が連携、2nm世代に向けた「hCFET」を開発
日本と台湾の国際共同研究グループは、2nm世代に向けた積層型Si/Ge異種チャネル相補型電界効果トランジスタ「hCFET」を開発した。 - 東北大学、THz波の透過率と位相を電圧で制御
東北大学は、6G(第6世代移動通信)システムに向けたチューナブルテラヘルツ波制御技術を開発した。メタマテリアルの電磁誘起透明化現象を、MEMSで動的に制御することにより実現した。 - 二酸化炭素の吸脱着で磁石のオンオフ制御に成功
東北大学金属材料研究所の研究グループと大阪大学は、二酸化炭素の吸脱着により磁石のオンオフ制御が可能な「多孔性磁石」を開発した。二酸化炭素磁気センサーなどへの応用を視野に入れている。 - 東北大と山形大、衝撃発電軽金属複合材料を開発
東北大学と山形大学の研究グループは、鉄コバルト系磁歪ワイヤとアルミニウム合金からなる衝撃発電複合材料を開発した。強度や高温耐性が求められる自動車部材や輸送機器のエンジン駆動部などに実装して、衝撃による発電が可能となる。
Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.