マグネシウム電池の劣化要因は「水」だった 北大が解明：電解液中の微量な水分

北海道大学は、マグネシウム電池における劣化挙動を調べ、電解液中に含まれる微量の水分が主要因であることを突き止めた。水分の混入を厳格に管理すれば、マグネシウム電池の高エネルギー動作が実現できるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

低水分量の電解液を用いれば、4Vで50回以上の充放電が可能

　北海道大学大学院理学研究院の朱瑞傑博士研究員と小林弘明准教授らによる研究グループは2025年5月、マグネシウム電池における劣化挙動を調べ、電解液中に含まれる微量の水分が主要因であることを突き止めたと発表した。水分の混入を厳格に管理すれば、マグネシウム電池の高エネルギー動作が実現できるという。

　マグネシウム電池は、「低コスト」「高い安全性」「高いエネルギー密度」といった特長があり、実用化に向けた研究が進んでいる。最近では弱配位性アニオンを有するマグネシウム塩を用いたエーテル系電解液の活用などが報告されている。ただ、正極側の反応は可逆性が悪いなど、課題もあった。この理由として、電解液のロットや保管期間、電池を製造する環境などにより、正極の性能が大きく変化することが明らかになっていた。

　研究グループは今回、マグネシウム電池の正極と電解液の界面で生じる劣化挙動を調べるため、二酸化マンガン正極とエーテル系電解液界面の反応を調査した。電解質にはフルオロアルコキシボレートアニオンまたは、フルオロアルコキシアルミネートアニオンからなるマグネシウム塩を用いた。

　実験の結果、二酸化マンガン正極に対しマグネシウム挿入脱離反応の影響はわずかで、代わりに多くの副反応が進行した。具体的には、正極の集電体や電池部材に用いた金属の腐食や、電解液へのマンガン成分溶出、エーテル溶媒や弱配位アニオン電解質の酸化分解が進んだ。こうした副反応は、電解液中に含まれる微量の水分によって促進されることが分かった。

　また、電解液中に存在する水分子は、マグネシウムイオンと優先的に結合し、正極との反応時に分解し、副反応を引き起こしていることが、分光分析と第一原理計算によって明らかになった。しかも、水分量が200ppm程度の電解液であっても、ステンレス部材の腐食反応は進行することが分かった。一方で、低水分量の電解液を用いれば、高電圧動作条件となる4Vで50回以上の充放電が可能になることを確認した。

正極表面で進行する反応［クリックで拡大］ 出所：北海道大学

高電圧充放電試験後における電池部材（正極集電部分）の電子顕微鏡像［クリックで拡大］ 出所：北海道大学