金属空気二次電池の開発

研究内容

RESEARCH

はじめに

金属空気二次電池の活物質は空気中の酸素であるため、理論上10,000Wh/kgのエネルギー密度が達成可能であり、これは市場規模が50兆円のリチウムイオン電池の20倍以上のエネルギー密度である。しかし、反応速度・エネルギー損失・耐久性・（触媒や電極材料を含めた）コストに課題を残しており、大規模な実用化には至っていない。これらの課題を解決して、その高エネルギー密度をいかすことができれば、「無補給で7,000 km程度の走行が可能なEV車」や「電力会社に頼らない自己完結型の住宅」も可能となり、持続可能な社会の実現に大きく貢献できる。

私達の取り組み

金属空気二次電池の最も大きな課題に、その高い過電圧、すなわち大きなエネルギー損失があげられる。特に、二次電池として金属空気電池を利用する上で、充電時に正極で起きる酸素発生反応の過電圧が非常に高く、過電圧の低い酸素発生触媒の開発が求められている。
まず、我々の研究グループでは、酸素発生触媒の基礎研究に注力して、過電圧が低く、酸素発生反応に対する耐久性も高い触媒を開発することで、そのような触媒の決定因子を探索してきた。過去に研究例のある触媒だけでなく、電子材料などの一見、酸素発生触媒とは無関係に思われる材料についても、電子構造と結晶構造を物性物理の観点から探索し、その酸素発生触媒能を測定・評価してきた。
その結果、金属-絶縁体付近に位置する電子材料や、酸素欠陥を有する超伝導材料、パイロクロア構造を有する導電材料が酸素発生触媒として優れていることを発見している。また、触媒の金属空気二次電池での使用を念頭に、酸素発生反応にも酸素還元反応にも優れた触媒能を示すMn系の二元機能触媒を開発してきた。次に、金属空気二次電池への応用に向けて、酸素発生触媒とカーボンブラックの分散液を実際に正極に塗布したものを想定して、分散液のpHによって静電反発力の観点から粒子の分散制御を行い、酸素発生触媒能の最適化を行ってきた。その結果、粉体工学の考え方によって酸素発生触媒能の増強が可能であり、触媒粒子の大きさによって、その振る舞いを分類できることが分かってきた。さらに、このようにして設計した酸素発生触媒の分散液を正極に塗布した金属空気二次電池を組み、CO2の溶解が少ない酸性電解液の場合でも、安定して充放電が行えることを確かめている。

図１:我々の研究グループにおける酸素発生触媒の開発過程のイメージ図

今後の展開

アルカリ性や酸性の電解液を使用した金属空気二次電池への電極の実装を精力的に行うことで、十分に耐久性が高く、電池容量が大きく、充放電効率の高い金属空気二次電池を開発したいと考えている。高い耐久性と低い過電圧を併せ持つ酸素発生触媒の中から、放電反応の酸素還元反応に対しても優れた触媒能を示す触媒材料を選択するだけでなく、正極材料についても自作することで、正極材料と触媒材料が最適な状態で織り込まれた金属空気二次電池の正極の作製を行う。同時に、金属空気二次電池での多数回の使用を念頭に、酸素発生反応にも酸素還元反応にも優れた触媒能を示す（3d遷移金属をベースとする）二元機能触媒の開発も継続して行う。

助成金

2017-18年度: 旭硝子財団研究助成研究奨励
2018年度: ホソカワミクロン工学振興財団研究助成金
2019-20年度: 公益財団法人　マツダ財団研究助成
2019-20年度: 日揮・実吉奨学会研究助成金
2020年度: 公益財団法人　寿原記念財団研究助成
2020-2022年度: 科研費基盤B 20H02831
2020-2022年度: 科研費基盤C 20K05657

成果

研究論文：

S. Hirai, T. Ohno, R. Uemura, T. Maruyama, M. Furunaka, R. Fukunaga, W.-T. Chen, H. Suzuki, T. Matsuda, S. Yagi,
Ca1-xSrxRuO3 Perovskite at the Metal-insulator Boundary as a Highly Active Oxygen Evolution Catalyst,
J. Mater. Chem. A, 7 (2019) pp.15387-15394.

大野智也、平井慈人、植村蓮、古中晶也、丸山尭弘、岩瀬琴乃、渡邉眞次、松田剛、鈴木久男
酸素発生反応及び酸素還元反応に対する(Ca0.5,Sr0.5)RuO3二元機能触媒粒子とカーボン粒子の凝集制御による触媒活性への影響
粉体工学会誌　56(2019) pp.382-388 .

平井慈人、藤岡正弥、古中晶也、大野智也、松田剛、
LaPt5As超伝導体 - 酸素発生・還元反応に対する新しい二元機能触媒
Mater. Sci. Technol. Jpn. 55 (2018) pp.180-184..

S. Hirai, K. Morita, K. Yasuoka, T. Shibuya, Y. Tojo, Y. Kamihara, A. Miura, H. Suzuki, T. Ohno, T. Matsuda and S. Yagi
“Oxygen vacancy-originated highly active electrocatalysts for the oxygen evolution reaction”
J. Mater. Chem. A, 6 (2018) pp. 15102-15109..

S. Hirai, S. Yagi, W.‐T. Chen, F.‐C. Chou, N. Okazaki, T. Ohno, H. Suzuki and T. Matsuda,
“Non-Fermi Liquids as Highly Active Oxygen Evolution Reaction Catalysts”
Adv. Sci. 4 (2017) pp.1700176 (1-7)..

S. Hirai, S. Yagi, A. Seno, M. Fujioka, T. Ohno and T. Matsuda
“Enhancement of the oxygen evolution reaction in Mn3+-based electrocatalysts: correlation between Jahn-Teller distortion and catalytic activity”
RSC Adv. 6 (2016) pp.2019-2023..

“Enhancement of the oxygen evolution reaction in Mn3+-based electrocatalysts: correlation between Jahn-Teller distortion and catalytic activity”
RSC Adv. 6 (2016) pp.2019-2023..

など