東北大学が環境負荷の小さい新型金属空気紙電池を開発！

環境に優しい金属空気紙電池が抱える課題

一般的な電池の材料として、リチウムイオン電池にはリチウム、高容量な燃料電池には白金（プラチナ）など環境負荷が高く資源量に制限のある重金属やプラスチックが多用されてきた。こうした背景から次世代エネルギーデバイスには、高出力・高容量だけでなく環境への配慮が求められる。

中でも燃料電池における水素（H）の代わりに亜鉛（Zn）、マグネシウム（Mg）など溶けやすい金属を負極に用いた「金属空気電池」は、リチウムイオン電池の3倍以上の重量エネルギー密度を持ち、次世代エネルギーデバイスとしての期待が高い。

金属空気電池はこれまで低環境負荷で使用しやすくするため、正極を紙の表面に形成、負極に亜鉛を配置し電解液をトリガーに発電する「金属空気紙電池」の研究が報告されている。しかし、それらには有害なアルカリ性の電解液が必要であったり、電解液を塩水で代替した場合、実用的な出力が発揮できない課題を抱えていた。

藪教授と小野研究員、AZUL Energy株式会社、英国AMPHICO社からなる研究グループは、金属空気紙電池の性能を左右する要因を踏まえてこの課題解決に取り組んだ。

金属空気紙電池の模式図と性能（左）、さまざまなウエアラブルデバイスへの実装（右上）。正極触媒の作製方法（右下）

資料提供：東北大学材料科学高等研究所

性能向上のカギは“紙の密度”！ 実証実験で期待高まる実用化

金属空気紙電池の性能を左右する要因=課題は、主に「正極の酸素還元反応（Oxygen Reduction Reaction以下、ORR）の効率化」「正極─負極間の電圧を高く取れる金属負極の使用」「電池セルの抵抗の低減」の3つが挙げられる。

研究グループは、2017年にレアメタルフリーで高いORR活性を示す「AZUL触媒」を開発しており、この触媒でORRの効率化の課題を解決し、セルの構成により残りの課題を克服できれば、高性能で低環境負荷、安全な金属空気紙電池が実現できるのではと考えた。
※リチウムイオン電池より高容量！ 東北大がレアメタルフリー空気電池用正極触媒を開発

研究では、まず正極触媒をろ紙などの紙へコートし、負極に高い電圧と環境への負荷が小さいマグネシウムを用いて集電体で挟んで金属空気紙電池を作製。電解液には塩水を用い、セルの電流─電圧特性と電流─出力性能を評価した。その結果、紙の密度が高いと塩水を吸い上げる能力が上がる一方、電解液の保持量が少なく抵抗が高くなり出力が低下。紙の密度が低いと塩水を吸い上げる時間を要する一方で、出力が高いことが分かった。

その結果、紙の密度の最適化が性能向上に結び付くことが示され、研究グループが作製した金属空気紙電池は、1.8 Vの開放電圧と103mW/cm²の出力、968.2 Wh/kg_（Mg）の容量を達成した。

この金属空気紙電池は導電助剤としてカーボンナノファイバー（CNF）を正極に混合すると、集電体を用いずデバイスと直接接続させることができ、新型コロナウイルス感染に伴う血中酸素濃度の低下を監視する「SpO₂計」など人体へ直接触れるウエアラブルデバイスへの応用を視野に、実証実験を行っている。

金属空気紙電池（左）とSpO₂計（右）

資料提供：東北大学材料科学高等研究所

SpO₂計の駆動の実証実験では、酸素飽和度・脈拍のリモートモニタリングに成功

資料提供：東北大学材料科学高等研究所

また、この金属空気紙電池は塩水をトリガーに発電することから、漁業やマリンレジャーで溺れた救助者の位置を特定するGPSセンサーを内蔵したスマートライフジャケットの電源としても期待され、こちらも実証実験が行われている。

スマートライフジャケット（左）と、GPS情報のリモートセンシングの様子（右）

資料提供：東北大学材料科学高等研究所

高性能でありながら資源が潤沢なマグネシウム、安全な触媒、紙、カーボンなど、環境に優しい素材で構成され、廃棄時の環境負荷も低く安全な金属空気紙電池。

今後のさらなる応用、活用への期待が高まる。