使っても性能が劣化しない蓄電池、充電により自己修復、東大の研究グループが発見

2019年05月20日

一般社団法人エネルギー情報センター

新電力ネット運営事務局

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東京大学大学院工学系研究科の山田淳夫教授、大久保將史准教授、西村真一主任研究員らの研究グループは、電力を蓄えることにより構造を修復する「自己修復能力」を持つ電極材料を発見したと発表しました。

充電により構造の乱れが自己修復していく蓄電池

資源に乏しい日本が持続的に発展するには、革新的なエネルギー技術の開発、導入・普及によって、各国に先んじて次世代型のエネルギー利用社会の構築を実現することが重要です。

その点、日本が提唱する未来社会のコンセプト「Society5.0」では、風力・太陽光といった再エネの電力系統への連携化や、ハイブリッドカーや電気自動車といった高効率自動車の普及が求められています。

しかし、現在使用されている電池は充電できる電力量が限られており、また、充電と放電を繰り返すことで性能が低下するため、普及の妨げとなっています。そのため、より多くの電力を何度でも蓄えることができるように改良することが望まれています。

通常、二次電池の電力貯蔵は、電極材料からイオンが脱離することで行われます。従って、多くのイオンが電極材料から脱離すると、多くの電力を貯蔵することができます。

しかし、一般に利用される電極材料は、多くのイオンが脱離すると不安定化して構造が変化し、性能が大幅に低下することが知られています。この性能劣化は、電池の寿命を短くする原因となるため、二次電池の電力貯蔵能を制限する要因でした。

こうした中、東京大学大学院工学系研究科の山田淳夫教授、大久保將史准教授、西村真一主任研究員らの研究グループは、電力を蓄えることにより構造を修復する「自己修復能力」を持つ電極材料を発見したと発表しました。

従来の電極材料は、多くの電力を蓄えると不安定化して構造が変化し、顕著に性能劣化することが知られています。しかし、研究グループが発見した電極材料は充電により安定な構造に変化するため、充電を行うごとに自己修復を繰り返し、性能が落ちない特徴を持ちます。

研究グループは、電極材料 Na2MO3を充電(ナトリウムイオンの脱離)すると、積層欠陥と呼ばれる構造の乱れが徐々に消失し、完全に充電すると全く構造の乱れが無い状態まで自己修復されることを見出したとしています(図1)。

従来型とた自己修復材料の比較

図1 従来型とた自己修復材料の比較 出典:東京大学

蓄電池の長寿命化が可能に

従来の電極材料であるLiMO2、Li1+xM1-xO2や NaMO2(M=Co,Ni,Mnなど)では、多くのイオンが脱離すると構造が乱れて性能が大幅に劣化することが知られています。

しかし、研究グループが発見した電極材料は、これまでの常識と全く異なるものとなります。具体的には、今回発見された電極材料「Na2RuO3」は、充電する前の状態でX線回折を測定することにより、ブロードな回折線を示し、積層構造に大きな乱れ(積層欠陥)が存在することが示されています。

しかし、今回の電極材料では、ナトリウムイオンを脱離して充電すると回折線は徐々に鋭くなり、積層の乱れが自発的に消失していきました(図2)。また、この自発的な自己修復は、充電と放電を繰り返した後でも生じることが実験により示されています。

充電に伴うX 線回折線の先鋭化

図2 充電に伴うX 線回折線の先鋭化 出典:東京大学

つまり、「Na2RuO3」では、充電するごとに自己修復が行われるため、電極材料に大きな負荷のかかる長期間での充電と放電を繰り返しても殆ど性能の劣化が起こらないこととなります。

研究グループは、充電過程における構造変化を放射光X線回折で更に詳細に調べたところ、自己修復現象にはナトリウムイオンが脱離した後に生じる空孔と、構造中に残存するナトリウムイオンとの間で強いクーロン引力が生まれることが重要な役割を果たしているとしています。これは、イオンと空孔が強く引き合うことで乱れの無い構造へと自発的に変化し、自己修復されていることを示します。

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