東京大学は2016年4月18日、次世代電池の候補であるナトリウムイオン電池のプラス極を開発したと発表した。開発したのは、東京大学大学院工学系研究科化学システム工学専攻の山田淳夫教授、大久保將史准教授らの研究グループ。
ナトリウムイオン電池は、リチウムなどの希少元素を用いないことから次世代電池の候補として期待されている。
ナトリウムイオン電池の実用化には、十分な量の充電、放電ができる化合物がプラス、マイナス各極に必要になる。これまでプラス極については、遷移金属の酸化・還元反応により充電、放電を行う化合物が検討されてきた。しかし、充電、放電が可能な電流量は物質が含有する遷移金属の量によって低く抑制されており、これにより長時間の電力供給ができないことが、実用化の障害になっていた。
今回の研究は、酸化物に多量に含まれる酸化物イオンの酸化・還元反応で充電、放電するプラス極を発見した。具体的には、ナトリウムと遷移金属の酸化物イオンから構成される蜂の巣状の構造を持つ層状酸化物において、酸化物イオンの酸化・還元反応により充電、放電が可能であることを発見した。
従来、このような反応を起こそうとすると酸素が乖離したり、結晶の構造が変化したりして安定した酸化・還元反応は起こらないとされてきた。しかし、蜂の巣状の構造中で酸化物イオンと遷移金属が協同的な構造の歪みを生じることで、酸化物イオンの電子同士が強く相互作用するようになり、酸化や還元を促進する化学的状態となっていることが分かった。
得られた反応を実際にナトリウムイオン電池のプラス極として応用した結果、遷移金属からのみ電子を取り出す従来型のプラス極に比べて1.4倍の電気量を蓄えることができた。さらに、充電、放電を繰り返しても電池の特性が全く劣化せず、安定的に利用できる反応であることも分かった。
さまざまな物質中に多量に含まれている酸化物イオンによる充電と放電が実現したことで、電気自動車などに搭載可能な高エネルギー密度の電池を開発できるという。
