レアメタル代替材料を使用！ 筑波大が高性能な全固体マグネシウム空気一次電池を開発

マグネシウムを電池材料に用いるための課題

カーボンニュートラル社会の実現に向けて、電池の研究・開発が日進月歩で進化している。その多くは繰り返し充電可能な「二次電池」に関するものである。しかし、使い切りの「一次電池」は二次電池よりも安価に製造でき、電圧を安定させやすいため、センサー機器向けや災害時の緊急用としてなど、特徴に即した活用が期待されている。

しかし、一次電池の大半は金属電極としてレアメタルであるリチウムが用いられ、代替材料の検討が求められていた。その一つが埋蔵量の豊富なマグネシウムだ。

実際、空気電池（正極に酸素、負極に金属を用い反応させる電池）の負極にマグネシウムを用いた「マグネシウム空気一次電池」の研究が進められている。電解液に食塩水を用い安価な材料で構成でき、理論的にはリチウム空気電池と同程度の性能を持つと考えられている。

しかし、正極の非金属化が困難であることや、マグネシウムが食塩水に接触することで酸化物に覆われ劣化する「不動態」という現象を防ぐ課題が残り、これまでは電気容量や動作安定性において理想的な性能を示すには至っていなかった。

窒素ドープ多孔質グラフェンで課題を解消

筑波大学数理物質系・伊藤良一（よしかず）准教授の研究チームは、こうしたマグネシウム空気一次電池の課題に取り組んだ。

まず、ナノレベルの小さな孔（あな）が無数に開いたスポンジ状の金属を用意。固体の薄膜や構造を形成する化学気相蒸着（CVD：Chemical Vapor Deposition）法により、金属の表面上にグラフェンを成長させ、元の金属を酸で溶かし取り除いた。

こうして酸素を還元する特別な能力を持ち、構成要素の炭素1個を窒素と置き換えた「窒素ドープ多孔質グラフェン」が完成したのだ。

窒素ドープ多孔質グラフェンの表面像（a）と断面像（b）

資料提供：筑波大学

この特殊なグラフェンを電極として使用し、市販のマグネシウム合金と塩を含んだ固体電解質を組み合わせることで、新しいタイプのマグネシウム空気一次電池を作製した。

全固体マグネシウム空気一次電池の構成模型図

資料提供：筑波大学

マグネシウム空気一次電池に関する先行研究の結果と比較したところ、窒素ドープ多孔質グラフェンを空気極（正極）に用いた場合、高い開回路電圧（電流を流さない状態での電圧）と出力密度（電池の単位体積あたりの出力）を両立することが明確になった。

このことから多孔質構造が空気の供給路となり、電解液は固形化することで放電時間が長く長寿命になることが判明した。

全固体マグネシウム空気一次電池と大気中での開回路電圧の測定値（約1.86V）

画像提供：筑波大学

研究チームは、空気一次電池の高性能化・高寿命化には空気の円滑輸送を実現するための空気極の多孔質化と、金属電極の腐食を抑える電解質の固定化が重要であることを示唆。正極に白金などのレアメタルを使用せず、負極の劣化防止を実現した。

この研究は、豊富な埋蔵量を有するマグネシウムの新しい活用法を見いだし、空気電池の進展における第一歩であり、電池の低コスト化と利活用拡大につながると想定されている。

マグネシウムに秘められた無限の利活用の可能性を、大いに期待したい。