液漏れせず、安価で高性能な全固体マグネシウム空気二次電池。筑波大

窒素ドープ多孔質グラフェンの電子顕微鏡画像

　筑波大学は2月16日、安価なマグネシウム金属を負極、多孔質グラフェンを正極に採用し、電解液を固体化することで液漏れしない全固体マグネシウム空気二次電池を開発したと発表した。

　マグネシウム空気二次電池は、炭素材料を正極、マグネシウムを負極、塩化マグネシウムを電解質とし、正極活物質の酸素を大気中から取り込むことで動作する電池。具体的には、安価で大容量電池を構成でき、理論的な性能はリチウム空気二次電池と同程度と考えられているが、塩素イオンを含有するため、内部で塩化が起こり、性能が低下するという課題があった。

　今回の研究では、塩化に強い耐性を持つ正極として、窒素元素を化学ドープした多孔質グラフェンを開発。具体的には、化学気相蒸着(CVD)法を用いて多孔質金属表面上にグラフェンを成長させた後、母体となった多孔質金属を酸で溶解させ、多孔質構造を持つ窒素ドープグラフェンとなっている。一方、負極には市販のマグネシウム、電解質には塩化マグネシウムを染み込ませた市販ポリマーゲルを用いた。

今回開発した電池

　こうして製作した全固体マグネシウム空気二次電池を評価したところ、白金系電極を正極に使用した場合よりも高い性能を示した。充放電メカニズムを、透過型電子顕微鏡で調べると、半分放電時では、グラフェン膜上にフィルム状の放電物質が確認され、それが完全放電時では、チューブ構造の中にまで放電物質が詰まり、チューブの直径も肥大化することで大きな電気容量を得られることが示された。

　一方、完全充電すると、放電物質がない初期グラフェン状態に戻ったことが確認でき、劣化しにくく長寿命につながることも確認できた。このほか、電池を折り曲げても液漏れせず、どの角度に曲げても、その後戻しても初期とほぼ同等の充放電性能を示したという。

　今回の研究結果は、レアメタルと貴金属が不要な二次電池の低コスト化の可能性が示されたとしており、今後も引き続き開発を進めていくとしている。