カリウムを用いた新しい“低コスト”蓄電池の実現に貢献――産総研ら、4V級カリウムイオン電池用酸化物正極材料を開発

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産業技術総合研究所(産総研)は2018年9月20日、立命館大学、中国の南京郵電大学らの研究グループと、次世代の蓄電池であるカリウムイオン電池用の4V級酸化物正極材料を開発したと発表した。

大型蓄電池において、エネルギー密度や作動電圧が従来型のリチウムイオン電池と同等、かつ資源量や価格の課題を解決した蓄電池が必要とされている。カリウムイオン電池は、資源的に豊富で低コストが期待されるカリウムを用いるという利点から、リチウムイオン電池に続く次世代蓄電池技術として研究開発されている。

現在までカリウムイオン電池用正極材料の作動電位は、プルシアンブルー系で4V(vs.K/K)が達成されているが、より信頼性の高い酸化物材料では3V程度にとどまり、高い作動電位を示す新しい酸化物材料が求められていた。

今回、研究チームはこれまでに発見してきたカリウム含有複合酸化物について、精密な結晶構造解析によって結晶構造を決定し、その構造からカリウムイオンの拡散障壁のエネルギーを計算した。さらに、拡散障壁が低い化合物群について理論計算によって作動電位を見積もり、正極材料として有望な候補化合物を選定し、リチウムイオン電池用正極材料の層状酸化物系材料と同様の4V程度の作動電位を示す複合酸化物群を開発した。

開発した酸化物群は、結晶中にハニカム型の層状構造を持ち、この層がカリウムイオンを高速かつ二次元に拡散させる経路となっている。カリウムイオン電池は、まだ基礎研究段階で実用化には時間がかかるが、今回開発した材料は、大きな進歩につながることが期待できるという。今回の開発は、理論計算による事前の候補化合物の選択が成功した例であり、新しい材料開発の道筋になるとしている。

今回開発した層状構造のK2/3M2/3Te1/3O2の結晶構造とカリウムイオン拡散経路を示したモデル図

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