電気化学的活性に優れるマグネシウム合金材を開発――マグネシウム金属電池の容量を約20%向上 NIMS

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物質・材料研究機構(NIMS)は2020年9月30日、これまでの材料よりも電気化学的活性に優れるマグネシウム合金材を開発し、マグネシウム金属電池の容量を約20%向上させることに成功したと発表した。これまで手付かずだった負極材の開発の方向性を示したことで、低コストで大容量なマグネシウム金属電池の性能向上が期待されるという。

再生可能エネルギーや発電所から生じる余剰電力の有効活用には、これらのエネルギーを貯蔵し、必要なときに供給できる大容量の蓄電池が必要だが、希少な金属が使用されている現状のリチウムイオン電池は大型化に膨大なコストがかかる。

そこで、地殻埋蔵量がリチウムの1700倍以上であり、安価で、多くの電気エネルギーを貯蔵できるマグネシウムを使ったマグネシウム金属電池が注目されている。しかし、加工しにくい金属であるマグネシウムは、マグネシウム金属が使われる負極に対する研究がほとんど実施されておらず、マグネシウムの扱いにくさが電池としての特性向上を妨げる大きな要因になっていた。

今回、マグネシウム電池電解質開発を専門とする研究者と、構造材料としてのマグネシウム合金の開発を専門とする研究者が共同研究を展開した。研究では、マグネシウム金属の組織構造に着目。結晶方位、結晶粒サイズの制御、微量Caの精密添加によって、これまでのマグネシウム材をはるかに上回る活性を持つマグネシウム合金材の開発に成功したという。

今回、電池特性を向上させるマグネシウム合金を探索した結果、結晶方位を制御し、20μm程度の微小な結晶粒で構成されたマグネシウム金属材に、異種金属を原子濃度0.3%と極微量添加することにより、大きく電気化学的な活性を向上させることに成功した。

例えば、負極にカルシウム(Ca)を添加した合金材(Mg-Ca)を用いた電池を試作して特性を評価したところ、純マグネシウム金属(pMg)を用いた電池と比べて容量が約20%向上した。これは、マグネシウム金属の合金化と組織制御で電池特性の改善を達成した世界初の成果だという。

今回の研究により、冶金学的アプローチがマグネシウム金属電池の電池特性の改善に有効であることがわかった。マグネシウム金属は構造材料分野で精力的に研究されてきた材料で、今回の研究で検討対象とした材料はその中の一部に過ぎず、未検討のマグネシウム材料に研究成果よりも優れた電気化学特性を有するものもあるかもしれないという。今後は今回の成果をもとに、大容量マグネシウム金属電池の実現に向けた金属組織構造の最適化に取り組んでいく。

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