東京大、高容量蓄電池を可能にする電極材料を発見：酸素の電子を利用しても損失なし

東京大学は、酸素の電子を電力貯蔵に利用してもエネルギー損失がない電極材料を発見した。蓄電池の容量を大幅に高めることが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

酸素の電子を放出した状態が安定して存在

　東京大学大学院工学系研究科の山田淳夫教授、大久保將史准教授、Xiangmei Shi博士研究員、土本晃久大学院生らの研究グループは2021年1月、酸素の電子を電力貯蔵に利用してもエネルギー損失がない電極材料を発見したと発表した。蓄電池の容量を大幅に高めることが可能となる。

酸素の電子を利用した高容量電極材料のイメージ図 出典：東京大学

　リチウムイオン電池に代表される蓄電池は、モバイル機器や電気自動車（EV）、家庭用など幅広い用途で需要が拡大する。カーボンニュートラルな持続社会の構築の向け、電池の電力貯蔵能力をさらに高めるための研究開発も進む。その1つが、電極材料に含まれる酸素の電子を電力貯蔵に用いる試みだ。

　従来は、電極材料（遷移金属酸化物）に含まれる一部の元素（遷移金属）のみを、電子の放出・吸収源として利用しており、電力貯蔵能力の向上には限界があったという。酸素の電子を電力貯蔵に用いる場合でも、高容量化を実現できる半面、蓄積した電気エネルギーが熱として放出されるため、大きなエネルギー損失を生じるという課題があった。

　研究グループが新たに発見した電極材料「Na₂Mn₃O₇」は、酸素の電子を電力貯蔵に用いても、エネルギー損失がなく電気エネルギーを貯蔵できることが分かった。

上図はこれまでの電極材料、下図は今回発見したNa₂Mn₃O₇におけるエネルギー損失 出典：東京大学

　具体的には、Na₂Mn₃O₇が4.23V、4.55Vで充電されてNa⁺を脱離。同時に酸素が電子を放出して電気エネルギーを貯蔵する。放電を行うとNa⁺が挿入され、酸素が電子を吸収して電気エネルギーを供給する。重要なのはこの放電が4.19V、4.52Vで行われる点だという。充電と放電が0.04V、0.03Vという極めて小さい電圧差であるため、電気エネルギーの損失はほとんどなく、貯蔵・供給が可能となった。

　研究グループは、電気エネルギーが失われない要因も調べた。酸素の電子状態を磁気測定した結果、酸素の電子が放出された状態（リガンドホール）が、安定に存在していることが分かった。これまでは、酸素の電子が放出されると不安定な構造となり、酸素原子同士が結合することによってエネルギーが失われていたという。

　第一原理計算により電子状態を調べたところ、電子を放出した酸素の2p軌道が、Mnの3d軌道と強く相互作用し、酸素の電子が放出された状態を安定化していることが判明した。

第一原理計算から得られた状態密度（左）とフェルミ準位直上の軌道（右） 出典：東京大学

　研究グループは今後、酸素原子同士の結合を防ぐことができる電極材料の開発を急ぎ、高容量電池の早期実用化を目指す。