産総研、長寿命な亜鉛空気二次電池を実現する電解質

既存のアルカリ水溶液を用いた亜鉛空気電池の模式図とその課題

　国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は京都大学 エネルギー化学研究科と共同で、充放電による劣化を抑制した亜鉛空気二次電池向けの電解質を開発したと発表した。

　亜鉛空気電池は、正極活物質に酸素、正極に酸素との反応を促進する触媒、負極に亜鉛金属を用いた電池。リチウムイオン電池と比べてエネルギー密度が非常に高く、軽量で大容量なのが特徴で、モバイル機器やドローンなどへの利用が期待されている。材料となる亜鉛や水溶液電解液が入手しやすいため生産コストも低い。補聴器用のボタン電池など、一次電池としてはすでに実用化されている。

　しかし、従来のアルカリ水溶液を使った電解質では、水溶液の揮発や空気中の二酸化炭素との反応による酸化亜鉛の生成により、電池の劣化や性能低下が進行しやすく、充電時には寿命や動作電圧の低下をまねくデンドライト(樹枝状に発生する結晶)が負極に発生しやすいため、二次電池として利用するさいの課題となっていた。

亜鉛イオンにおける水分子配位の濃度依存性

　今回開発チームでは、電解質として塩化亜鉛水和物溶融塩という高濃度の塩化亜鉛水溶液を採用。これは塩化亜鉛が室温で液体として存在できる限界まで濃度を上げた酸性の電解質で、二酸化炭素と反応しない。このなかではすべての水分子が亜鉛イオンに配位するため、揮発性と加水分解性が抑えられる。加えて、亜鉛金属と水分子との反応性も抑制され、酸化亜鉛や水酸化亜鉛の被膜が形成されづらく、動作電圧の向上につながった。

アルカリ水溶液、塩化亜鉛水和物溶融塩を用いた亜鉛空気二次電池の充放電効率

　また、アルカリ水溶液を電解質として使用した場合、100%の放電効率が発揮されるのは初回から数回で、以降は急激に効率が低下し、5回目の充放電では初回の20％以下の容量しか発揮できなかった。一方で、今回の塩化亜鉛水和物溶融塩を使用した場合、充放電効率や電圧低下が10回目の充放電までほとんどみられなかったことから、亜鉛空気二次電池の長寿命化が実現した。

　今回の新たな電解質により、大容量で長寿命な亜鉛空気二次電池の実現が期待される。開発チームは今後も高性能な亜鉛空気二次電池の開発を目指す。