リチウムイオン電池に置き換わる水系電池～次世代亜鉛イオン電池をナノテクノロジーで高エネルギー化～

小林 弘明 松井 雅樹

化学部門

2024年8月20日

開発したZnMn₂O₄極小ナノ粒子とグラフェンの複合体正極材料

【ポイント】

• 安全かつ低価格な亜鉛イオン電池の正極材料を開発。
• マンガン酸化物材料を極小ナノ粒子化し、炭素材料との複合材料を作製。
• 現行リチウムイオン電池と同等以上の高エネルギー密度と高出力密度を達成可能。

【概要】
北海道大学大学院理学研究院の小林弘明准教授、松井雅樹教授、東北大学多元物質科学研究所の本間格教授、カリフォルニア大学ロサンゼルス校博士後期課程の勝山湧斗氏、リチャード・ケイナーディスティングイッシュトプロフェッサーらの研究グループは、安価で安全な次世代蓄電池として注目されている「水系亜鉛イオン電池」の高エネルギー化・高出力化に成功しました。

現代社会に欠かせないリチウムイオン電池の大型蓄電池としての需要が拡大しています。しかし、リチウムイオン電池は資源枯渇や資源偏在性の課題があるレアメタルを使用し、また可燃性の電解液を使用しているため、大型化の際のコストや安全性のリスクが懸念されています。現在研究開発が進められている次世代蓄電池の中で、亜鉛金属を用いた電池は水系電解液を使用可能な安全性の高い低コストな電池であり、近年蓄電池化の研究が国内外で進められています。正極材料としては、マンガン酸化物が有望材料として研究開発が進められていますが、これまでの材料では高エネルギー密度の達成が困難でした。

今回、スピネル型亜鉛マンガン複酸化物ZnMn₂O₄を極小ナノ粒子化し、グラフェンに担持した複合正極材料を開発しました。この材料はこれまで達成できなかった2電子反応に相当する充放電が進行し、ZnMn₂O₄重量あたり600Wh/kgの高いエネルギー密度を示しました。本材料は出力特性も優れており、今後の材料開発により、現行リチウムイオン電池と同等以上のエネルギー密度を有する安全性の高い蓄電池が構築可能です。本技術の進展により、安価かつ安全な大型蓄電池の普及が加速され、低炭素化社会、地球温暖化対策への貢献が期待されます。

本研究成果は、2024年8月9日（金）公開のAdvanced Functional Materials誌に掲載されました。

論文名：A Nanoparticle ZnMn₂O₄/Graphene Composite Cathode Doubles the Reversible Capacity in an Aqueous Zn-Ion Battery（ZnMn₂O₄ナノ粒子とグラフェンの複合体正極が水系亜鉛イオン電池正極の可逆容量を2倍にする）
URL：https://doi.org/10.1002/adfm.202405551

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