マグネシウムは入手が容易な電池材料の一つで、食塩水を電解液として使用するため、炭素系電極と組み合わせると、安価に電池を構成できます。本研究では、多孔質グラフェンとマグネシウムを電極に用い、また、電解液を固体化することで、白金電極と同等以上の性能を持つ空気一次電池を開発しました。
カーボンニュートラル社会構築に向けて、電池技術の開発が求められています。一次電池（使い切り型電池）は繰り返しの使用はできませんが、充電可能な二次電池よりも安価に製造でき、かつ安定した電圧が得られることから、センサーや災害用の電源として期待されています。しかし、これらの多くはリチウムなどの高価な金属電極を使用しており、これらに代わる電池材料の探索が求められています。
正極に炭素系材料、負極に埋蔵量豊富なマグネシウム、正極活物質の酸素を大気中から取り込むことで動作するマグネシウム空気一次電池は、食塩水を電解液とするため、非常に安価な材料で構成することができ、理論的には、リチウム空気電池と比べて同程度の性能を持つと考えられています。しかし、実際には、電気容量や動作安定性の面で、十分な性能が得られていません。
本研究では、正極として、窒素元素を化学ドープした多孔質グラフェンを開発し、負極に市販のマグネシウム、そして、ポリアクリル酸ナトリウムゲルに食塩水を浸み込ませた固体電解質を用いた、マグネシウム空気一次電池を作製しました。性能試験の結果、この電池は、白金を正極に使用した場合と同等以上の電池性能を示しました。これは、電極に多孔質構造を与えることで空気の輸送が円滑になり、また、全固体化によりマグネシウム電極の腐食が防止されたためと考えられます。
本成果は、空気一次電池の用途拡大に資する他、白金やリチウムよりも安価で入手容易な材料で構成された空気一次電池技術としての応用が期待されます。
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プレスリリース
研究代表者
筑波大学数理物質系
伊藤 良一 准教授
掲載論文
【題名】 All-solid-state Mg-air battery enhanced with free-standing N-doped 3D nanoporous graphene
（窒素ドープ多孔質グラフェンを用いた全固体マグネシウム空気一次電池の開発） 【掲載誌】 Small 【DOI】 10.1002/smll.202308045