京大、高エネルギー密度・高安全性・低コストのマグネシウム金属二次電池を開発

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京都大学の研究グループは、高輝度光科学研究センターと共同で、既存のリチウムイオン電池に置き換わることが可能な高エネルギー密度マグネシウム金属二次電池の開発に成功した。開発した二次電池は埋蔵量の多いマグネシウム、鉄、シリコンが主な構成元素であり、低コスト化が期待される。融点の高いマグネシウム金属に置き換えたことで、電池の熱的安定性が改善され、従来のリチウムイオン電池よりも飛躍的に安全性が向上した。2014年7月11日付け Scientific Reports に論文が掲載されている。

高エネルギー密度、高安全性マグネシウム二次電池(出所:京都大学)

高エネルギー密度、高安全性マグネシウム二次電池(出所:京都大学)

マグネシウム二次電池は高い理論容量密度を持ち、資源量が豊富で、安全性が高いという利点から、リチウムイオン電池を超える二次電池として実用化が期待されている。しかし、二価のマグネシウムイオンは一価のリチウムイオンと比較して、相互作用が強く、固相内で拡散しにくく、電極反応が極端に遅いことが問題だった。また、マグネシウム金属を繰り返し溶解析出することが可能な、安定かつ安全に充電・放電を行うためのマグネシウム電解液が見つかっていない。マグネシウム二次電池の創製には、正極・電解液それぞれの問題点を解決する必要があった。

今回の研究では、正極材料の結晶構造を精密に制御することにより、マグネシウムイオンの拡散パスを確保したMgFeSiO4正極材料を報告した。この材料を用いることで既存の正極材料と比較して2倍のマグネシウムイオンを挿入脱離することが可能となった。

同材料はSi-Oの結合によって安定化されているため、長期間にわたって充放電を繰り返すことが可能。さらに、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホンイミド(Mg(TFSI)2)とトリグライム(Triglyme)を組み合わせた電解質によるマグネシウム金属負極の安定な動作を実証している。

大型放射光施設SPring-8の高輝度放射光を用いることにより、安定で高エネルギー密度の充放電反応のメカニズムの解明に成功した。この正極と電解質にマグネシウム金属を負極として組み合わせることで、世界最高性能のマグネシウム二次電池の作製が実現した。


京都大学の発表資料

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