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 三井金属鉱業は開催中の総合展示会「スマートエネルギーWeek 2022春」中の「二次電池展」(2022年3月16日~18日、東京ビッグサイト)において、「亜鉛ニッケル(Zn-Ni)2次電池」の負極用Zn箔を展示すると共に、その試作セルの特性データの一部を示した。1900回以上の充放電サイクル寿命を確認したという。同志社大学 大学院 理工学研究科 教授の盛満正嗣氏の研究室との共同研究の成果である。

Zn2次電池の開発は失敗の歴史

 Niを正極、Znを負極するZn-Ni2次電池は、電解質に水溶液が使えて安全性が高い上に理論的な体積エネルギー密度が極めて高い。充放電サイクル寿命を十分長く確保できるなら既存のリチウム(Li)イオン2次電池(LIB)の性能を大きく超えるポテンシャルを備える。ところがこれまでは、充放電時に負極に「デンドライト」と呼ばれる樹木状のZnの析出物が形成され、それがわずか数サイクルで正極にまで達して短絡してしまう課題を解決できずにいた。そのポテンシャルの高さから、これまで多数の企業や研究機関が開発に参戦したきたものの、そのほとんどが“討ち死に”した。つまり、デンドライトを解決できずに撤退していった。

 最近まで開発に取り組んでいたある材料系の企業は、セパレーターを固くしたり厚くしたりして短絡は防げるようになったものの、負極表面に析出したZnがバルクの数%という低密度の形態で堆積することで容量とエネルギー密度が大幅に低下する課題は解決できず、「高エネルギー密度の亜鉛2次電池の実用化はやはり難しいのではないか」(同社)と話す。

サイクルが5000回以上回る

 この壁を世界で初めて破ったとするのが、同志社大学の盛満氏の研究室で、2019年末にデンドライトの課題を解決したZn-Ni2次電池を開発したと発表していた。具体的には、充放電サイクル寿命が5000回以上だという。

 今回の出展内容は、盛満研究室の技術を活用し、三井金属鉱業がセルを試作して、その特性を確認したというもの。具体的には、Ni-Zn2次電池の試作セルにおいて、1900回以上充放電サイクルを回しても容量の低下はなく、負極にデンドライトなども形成されなかったという。サイクル寿命が1900回以上というのは、5000回から減ったわけではなく、現時点で測定できたのが1900回超ということである。ただし、セルの具体的な容量やエネルギー密度は明らかにしていない。

出展内容の説明
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出展内容の説明
下にあるグラフは、新旧のZn-Ni電池セルの充放電サイクルデータ。同志社大学の技術を使わない旧セル(左)では数サイクル後は、容量が乱高下する典型的な短絡状態になるが、同志社大学のデンドライト抑制技術を用いると1900回以上充放電を繰り返しても容量が低下しない(右)。(写真:日経クロステック)