マグネシウム金属蓄電池をドライルームだけで作製可能にする基盤技術の開発

~酸素の透過を抑制する人工亜鉛被膜が鍵~

2023.05.16

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)

NIMSは、乾燥した空気中でのマグネシウム金属負極の電気化学的活性の喪失の原因を明らかにし、それに基づく人工保護被膜を開発しました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS) は、乾燥した空気中でのマグネシウム金属負極の電気化学的活性の喪失 (不活性化) の原因を明らかにし、それに基づく人工保護被膜を開発しました。この開発を実用化すれば、既存のリチウムイオン電池の生産ラインを、マグネシウム金属蓄電池生産用に転換して利用できるという、画期的な基盤技術です。
  2. 資源制約がなく、リチウムイオン電池を凌駕する高エネルギー密度化が見込めるマグネシウム金属蓄電池は、大規模蓄電池としての応用展開に大きな期待を持たれ、研究開発が進められています。しかし、マグネシウム金属は、酸素や水分に触れると表面に酸化物被膜が形成され、不活性化してしまう物質です。そのため、マグネシウム金属蓄電池の生産には、材料の保管から評価に至るまで、アルゴンや窒素などの不活性ガス中での作業が必要です。外気を完全に遮断するためには膨大なコストがかかることや、作業効率が大幅に低下することなどから、これまでマグネシウム金属蓄電池の実用化は困難とされてきました。
  3. 今回、研究チームは、電解液・溶存酸素・マグネシウムの三相境界面に生じる超高抵抗が、大気下でのマグネシウム金属負極の電気化学活性の喪失を引き起こすことを発見しました。さらに研究チームは、イオン交換反応を利用して、酸素透過を抑制する人工亜鉛被膜をマグネシウム金属表面に形成させることで、乾燥した空気中でのマグネシウムの酸化を抑え、不活性化を抑制することに成功しました。ドライルームでの電池製造を可能とする本成果は、マグネシウム金属蓄電池の実現可能性を飛躍的に高める、学術的・工業的・産業的に重要な、世界初の技術です。
  4. これらの結果に加え、研究チームは世界最高水準の電解液およびマグネシウム金属の負極材料を開発しています。今後、正極材料の研究開発を加速し、マグネシウム金属蓄電池の早期実用化につなげます。
  5. 本研究は、エネルギー・環境材料研究センター 電池材料分野 二次電池材料グループの万代俊彦主任研究員らにより、国立研究開発法人科学技術振興機構 共創の場形成支援プログラム 先進蓄電池研究開発拠点 (JPMJPF2016) ならびに日本学術振興会 科学研究費助成事業 (21K05263) の一環として行われました。
  6. 本研究成果は、英国王立化学会誌「Journal of Materials Chemistry A」にて現地時間2023年4月10日にオンラインで先行公開されました。また、本成果は5月14日に発刊される雑誌 (vol 11, issue 18) の裏表紙を飾ります。
「プレスリリース中の図 :(a) 人工被膜を被覆したマグネシウム金属断面の電子顕微鏡像。電圧電流測定後の断面観察から、被膜を介してマグネシウム金属が溶解していることが分かります。(b,c) 乾燥空気雰囲気下における亜鉛被覆および未処理マグネシウムの、(b) 電圧電流応答、ならびに、(c) これらを負極に用いたマグネシウム金属蓄電池の充放電試験結果。」の画像

プレスリリース中の図 :(a) 人工被膜を被覆したマグネシウム金属断面の電子顕微鏡像。電圧電流測定後の断面観察から、被膜を介してマグネシウム金属が溶解していることが分かります。(b,c) 乾燥空気雰囲気下における亜鉛被覆および未処理マグネシウムの、(b) 電圧電流応答、ならびに、(c) これらを負極に用いたマグネシウム金属蓄電池の充放電試験結果。

掲載論文

題目 : Oxygen - A Fatal Impurity for Reversible Magnesium Deposition/Dissoluion
著者 : Toshihiko Mandai and Mariko Watanabe
雑誌 : Journal of Materials Chemistry A
掲載日時 : 英国時間2023年4月10日オンライン公開
DOI : 10.1039/D3TA01286G

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(研究内容に関すること)

国立研究開発法人物質・材料研究機構
エネルギー・環境材料研究センター　電池材料分野　二次電池材料グループ,
先進蓄電池研究開発拠点　元素戦略チーム
主任研究員
万代俊彦 (まんだいとしひこ)
TEL: 029-860-4464
E-Mail: MANDAI.Toshihiko=nims.go.jp
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(報道・広報に関すること)

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