炭から生まれたハイブリッド亜鉛蓄電池を開発――出力性能、低温性能に優れ、さらに長寿命 日本触媒

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日本触媒は2020年2月19日、炭から生まれた新しい亜鉛蓄電池「カーボン-亜鉛ハイブリッド畜電池」を開発したことを発表した。独自技術により開発した「亜鉛電池用セパレータ」と「亜鉛負極」に、活性炭を組み合わせている。

新しい亜鉛蓄電池は、主な構成要素が資源的に豊富で毒性のない水、炭、亜鉛という材料で作れることが特徴で、水系電池であるために燃える心配がなく、出力性能、低温性能に優れている。また、亜鉛蓄電池で課題とされてきた寿命は、同社が開発したセパレータと亜鉛負極技術により長寿命化したという。

寿命が弱点になっていたことは、亜鉛蓄電池の充放電を繰り返すと、デンドライトと呼ばれる亜鉛の針状の結晶が亜鉛電極から対極へ向かって成長し、正極と負極が短絡しやすいことに起因しており、「亜鉛は乾電池には使えても、蓄電池としては使えない」ことが常識とされていた。

そこで、これまでの樹脂製セパレータとは異なる鉱物粉末をシート化した独自構造のセパレータを開発。デンドライトによる短絡の抑制に加え、充放電サイクル劣化を抑える独自の亜鉛負極材料の開発にも成功した。カーボン-亜鉛ハイブリッド畜電池は、これらの要素技術を組み合わせて開発したという。

開発した亜鉛電池用セパレータの概要

開発した亜鉛電池用セパレータの外観写真

この電池は、正極に活性炭を使用して物理容量の電気二重層容量を利用し、負極は亜鉛が電気化学反応する。物理容量と化学容量のハイブリッド電池となっており、電気二重層キャパシタ(EDLC)の長所である高出力特性、長寿命特性を持ちながら、電池材料を使用することで弱点の容量性能を克服した。

ハイブリッド亜鉛蓄電池の概念図

負極に正極と同じ活性炭を用いるEDLCとは異なり、ハイブリッド電池は負極を亜鉛にすることで理論的に静電容量が2倍になると同時に、カーボン‐亜鉛間に起電力を持てるため高容量化する。エネルギー密度が高い亜鉛負極側を薄く設計できることから、同体積のパッケージでは正極活性炭をより多く搭載できるという。容量がEDLCの5~10倍になるため、鉛蓄電池同等の容量性能を得ることができる。

物理容量を利用するキャパシタの高出力をそのままに、充放電駆動が-20℃以下の低温でもできる。化学反応を用いる多くの電池は、特に低温での充電が困難だが、亜鉛はキャパシタの高速応答に追従できるとともに、低温~高温まで動作し、あらゆる温度環境に適合する。

また、同社が開発したセパレータ/亜鉛電極を用いることで、10,000サイクル以上の寿命性能を観測。数百サイクル程度で交換寿命がくる鉛蓄電池に比べて寿命性能が100倍以上と言え、従来の鉛蓄電池が使用されている車載バッテリーなどへの展開のほかに、自然エネルギーの電力貯蔵などの新しい用途展開が期待される。

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