LIBより電圧が高い独自のレアメタルフリー空気電池用正極触媒を開発東北大学

東北大学材料科学高等研究所の藪浩教授らの研究グループは2023年4月27日、東北大学発ベンチャーのAZUL Energyと共同で、独自に開発した正極触媒と酸性・アルカリ性電解質をタンデムに配置したセルを用いることで、開放電圧が2V以上で高い出力を有する亜鉛空気電池を開発したことを発表した。開発した触媒は、白金触媒が劣化する強塩酸環境下でも高い触媒活性を維持できる。

亜鉛空気電池に代表される金属空気電池は、容量の大きさから次世代のエネルギーデバイスとして期待されているが、これまでは電圧が1.4V程度で、3.7Vを発生するリチウムイオン電池（LIB）などに比べ、駆動電力が低く出力も小さく、低出力で長時間駆動する補聴器など、限られた用途にしか用いられていなかった。

また、補聴器などに用いられる強アルカリ電解質中では、酸素還元反応（ORR）が進みづらく、過電圧が大きいため、通常1.4V程度の電圧しか出力できないことから、ORR反応活性の高い白金炭素（Pt/C）触媒などの貴金属触媒を用いて電圧を上げる検討がなされていたが、高価な白金を使用することから、代替触媒が求められていた。

研究グループではこれまでに、レアメタルフリーで高いORR活性を示す白金代替の高機能触媒「AZUL」を開発している。AZULは、アルカリ環境下でPt/Cに匹敵する性能を示す。そこで、正極にAZUL触媒を使用して、正極側には酸性電解質、負極側にはアルカリ電解質を設置できるタンデム型セルを開発した。

まず、AZUL触媒単体の活性評価を実施。触媒回転頻度（TOF）で触媒単体のORR活性を比べた結果、Pt/Cよりも3.5～6.1倍重量活性が高いことがわかった。同じ量の鉄アザフタロシアニンとPtを用いたとしても、AZULの場合は、鉄アザフタロシアニン分子一つが触媒活性点として機能するが、Ptはナノ粒子化されており、表面に露出した原子しか反応に寄与できないと考えられる。

次に、AZUL触媒の亜鉛空気電池への適用性について検討するために、正極のカーボンシートにAZUL触媒とPt/C触媒を塗布し、3Dプリンターでアルカリ電解質を用いた亜鉛空気電池セルを作製した。AZUL触媒を用いた亜鉛空気電池セルは、出力特性と放電特性の評価で、Pt/Cと同等の性能を2分の1～3分の1の触媒量で示した。これは、正極触媒の高い重量活性を反映していると考えられる。

アルカリ電解質（6.0 M 水酸化カリウム水溶液）を用いた亜鉛気電池の模式図と写真(a)およびPt/C(b)、AZUL (c)を正極触媒に用いたセルの電流-電圧特性

さらに、AZUL触媒正極、Pt/C正極を用いた亜鉛空気電池を作製し、酸性電解質として3.5M塩酸、アルカリ性電解質として6.0M水酸化カリウム水溶液を用いて、出力特性と放電特性を評価した。その結果、AZUL触媒を用いたセルは、開放電圧最大2.25V、最大出力318mW/cm²、最大容量1139mWh/g_（Zn）（Wh/kg_(Zn)、負極の亜鉛重量あたりの容量）を達成した。これまで報告されているレアメタルフリー正極触媒を用いた亜鉛空気電池の中で、最も高電圧、高出力となっている。

また、Ptなどの貴金属は、強塩酸水溶液中で十分な触媒活性が得られず、性能が低下しやすいが、金属錯体系の触媒分子を用いたAZUL触媒は、強塩酸水溶液中でも安定しており、放電特性も安定している。これは、酸性環境下でも、AZUL触媒がレアメタルフリーの白金代替触媒として有効であることの証左となる。

研究グループは今後、セルのスタック化や大面積化などを通して、ドローンなどの輸送デバイスに適用できる金属空気電池の開発を目指す。

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