週刊技術大賞｜活きた金属電池の夢の始まり

電気は私たちの日常生活を支えています。携帯電話や自動車を動かすためのエネルギーを蓄えるためにバッテリーが使用されていますが、電気の時間的および空間的な不均衡により、電力網システムはバッテリーを使用してエネルギーを蓄え、放出し、余剰電力を蓄えておき、電力需要がピークに達したときにユーザーに放出する必要があります。そのため、個人ユーザーと産業生産の両方において、より高いエネルギー密度、より高い信頼性、より低価格のエネルギー貯蔵バッテリーに対する要求が高まっています。本日は、2011年国家自然科学賞第2位の受賞作品「数種類の無機材料の水素、リチウム、マグネシウムの貯蔵と電池性能に関する研究」をご紹介します。その重要な成果の一つは、リチウム電池とマグネシウム電池に関する一連の研究です。

高エネルギーと安全性：活性金属電池の諸刃の剣

エネルギーの観点から見ると、金属の活性が高いほど、放出できるエネルギーも多くなり、電池にしたときに蓄えられるエネルギーも多くなります。リチウムイオン電池に関して言えば、リチウムの活性順位はおおよそナトリウムとマグネシウムの間であり、重量が軽いため、エネルギー貯蔵電池の理想的な原料となっています。そのため、リチウム電池は私たちの日常生活で非常に一般的です。しかし、実際のところ、リチウムイオン電池の発明から商品化までの過程は決して順風満帆ではなかった。その理由は、活性金属はより多くのエネルギーを貯蔵および放出できるものの、その活性の反面安定性が低く、それが応用に相応の問題をもたらすからです。

活性イオンを閉じ込めて安定した充電を実現

この問題を解決する鍵は、活性金属が直接反応するのを防ぎ、代わりに活性金属イオンの移動を通じてエネルギーを蓄積または放出することです。リチウムイオン電池を例に挙げてみましょう。リチウムなどの活性金属を直接エネルギー貯蔵に使用した場合、十分なエネルギーが放出される一方で、バッテリー自体の安全性が低下し、充電プロセスの実現が困難になります。既存のリチウムイオン電池技術では、電池の正極材料と負極材料を使用して充電と放電のサイクルを実行します。正極が放電されると、リチウムイオンはエネルギーを完全に放出します。リチウムイオンは負極が充電されるとエネルギーを蓄えます。リチウムは正極と負極の間に閉じ込められるため、事故が起こりにくく、安定してエネルギーを蓄え、放出することができます。

リチウムイオンは充電および放電プロセス中に直接酸化または還元されないため、イオン移動に基づいて構築されたこのタイプのバッテリーは「ロッキングチェアバッテリー」とも呼ばれます。

未来の電池を作るための活性イオンキャリアの開発

前述したように、現代のエネルギー貯蔵電池の鍵は、正極と負極の活性金属イオンのキャリアにあります。より安全で高性能な金属イオンキャリアを見つけることは、科学者にとって重要な研究テーマとなっています。南開大学の陳軍院士チームが主導する「各種無機材料の水素、リチウム、マグネシウム貯蔵と電池性能に関する研究」プロジェクトは、2つの全く異なるが類似した研究路線を中心に一連の研究作業を実施しました。一方では、より軽量で高性能なリチウムイオンキャリア材料の開発、他方では、新しいマグネシウムイオンキャリア材料の開発です。

リチウムイオン電池の場合、キャリアは良いのですが、それ自体がエネルギーを蓄えるわけではなく、リチウムイオンの貯蔵場所としてのみ使用されます。したがって、キャリアの重量を減らすことは、バッテリーのエネルギー密度の増加を意味します。さらに、新しいリチウムイオンキャリアを構築することで、バッテリー電圧を上げ、バッテリーのエネルギー密度をさらに高めることができます。陳軍院士のチームは一連の新しいリチウムイオンキャリア材料を開発し、バッテリーのエネルギー密度と安全性を効果的に向上させました。

近年、陳軍院士率いるチームはマグネシウムやナトリウムなどの活性金属イオン電池シリーズを開発してきた。成果の一部は変換・応用されており、電気化学的エネルギー貯蔵分野の発展をさらに促進することが期待されます。

（文責：重慶大学化学工学部教授 李存普、査読者：南開大学化学部教授 楊柯）

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