新物質発見で電池のレアメタル使用ゼロに ナトリウムと鉄でリチウムイオン電池を超える性能実現
電気を蓄え、必要なときに取り出すことのできる2次電池は、電気自動車やスマートグリッドなど省エネルギー社会実現の鍵を握る中核技術である。現在最も優れた2次電池はリチウムイオン電池であるが、上記の大型用途への展開が進むにつれ、大幅な低コスト化や脱希少金属への要請が強まっている。このため、希少金属であるリチウムを資源的に豊富で安価なナトリウムで置き換えたナトリウムイオン電池が注目され、適合する電極材料の開発が行われている。
© 2014 山田 淳夫
発見した新物質中にはオレンジ色で示したナトリウムイオンが大量に蓄えられており、鉄イオンの周り（緑の部分）に存在する電子とともに出し入れすることで、充電と放電が行われる。これまで、安価なナトリウム・鉄化合物でこの反応を起こすことは不可能とされてきたが、今回の発見により、現在のリチウムイオン電池と同等以上の高い電圧を発生する高エネルギー密度系が実現されたばかりでなく、数分以内の充電・放電にも対応する高速反応も可能となった。
しかし、既存物質の組成や構造を基本にリチウムをナトリウムに置き換えるだけでは、十分な性能を実現するには至っておらず、革新的な電極材料の開発が待たれている。特に、安価で資源リスクのない鉄を主体とする化合物を利用できるようにすることが切望されているが、極めて難易度が高いとされてきた。
東京大学大学院工学系研究科の山田淳夫教授のグループは、既存材料の延長線上ではなく、全く新しい物質に活路を求めて探索を行い、リチウムイオン電池と同等以上の性能を実現する新物質を発見し、その結晶構造を決定した。この新物質は希少金属を一切含まない鉄を主体とする化合物で、極めて簡単に合成することができる。ナトリウムイオン電池のプラス極の材料として機能し、既存材料を大きく上回る3.8 Vの高電圧作動が可能で、ナトリウムイオンが非常に高速で移動するため数分以下での高速充放電にも対応できる。
プレスリリース [pdf]
論文情報
Prabeer Barpanda, Gosuke Oyama, Shin-ichi Nishimura, Sai-Cheong Chung, Atsuo Yamada,
“A 3.8 V earth-abundant sodium battery electrode”,
Nature Communications 5:4358 Online Edition: 2014/7/17 (Japan time), doi: 10.1038/ncomms5358.
論文へのリンク（掲載誌、UTokyo Repository）
