水系亜鉛イオン電池を高エネルギー化、高出力化できる正極材料を開発：研究開発の最前線

北海道大学と東北大学は、「水系亜鉛イオン電池」の高エネルギー化、高出力化に成功した。スピネル型亜鉛マンガン複酸化物を用い、高出力動作条件でも高いエネルギー密度を発揮できる新しい正極材料を開発した。

[MONOist]

　北海道大学と東北大学は2024年8月20日、「水系亜鉛イオン電池」の高エネルギー化、高出力化に成功したと発表した。スピネル型亜鉛マンガン複酸化物ZnMn₂O₄を用い、リチウムイオン電池の正極活物質と同等以上のエネルギー密度を示す新しい正極材料を開発した。

開発したZnMn2O4極小ナノ粒子とグラフェンの複合体正極材料［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　マンガン酸化物を亜鉛イオン電池の正極材料とするには、Mn^4＋、Mn^2＋の2電子反応を利用することが必要だ。研究グループは、溶液プロセスのアルコール還元法で平均5nmサイズのZnMn₂O₄を合成。ZnMn₂O₄極小ナノ粒子をグラフェンに担持させ、複合材料を作製した。

開発した材料の電子顕微鏡画像 出所：東北大学

　この材料を用いた亜鉛イオン電池正極のエネルギー密度は、ZnMn₂O₄重量あたり600Wh/kgで、2電子反応に相当する充放電の進行を確認。高出力動作条件でも高いエネルギー密度を発揮できることが明らかとなった。

開発材料のベンチマーク。（a）高電圧で高い可逆容量を示し、既存材料よりも高いエネルギー密度を示す。（b）高出力動作条件でも高いエネルギー密度を示す［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　原料となるレアメタルの調達リスクや発火の危険性があるリチウムイオン電池に対し、水系電解液を使用可能な亜鉛を用いた電池は、高い安全性や資源性、エネルギー密度の観点から、次世代蓄電池として注目されている。今後は、複合材料の最適化によるエネルギー密度の向上や電極構造の改良が図られる見込みだ。

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