【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　講師　小林弘明
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 次世代蓄電池「マグネシウム蓄電池」^注１に利用可能な酸化物の正極材料^注２を開発
• オールジャパンの研究チームとして技術を結集し新材料を開発
• マグネシウム蓄電池の室温における高エネルギー動作が可能に

【概要】

日常生活に欠かせない蓄電池のリチウムイオン電池^注１ですが、今後益々の需要や資源のサプライチェーンリスクの増大から、次世代蓄電池の開発が世界的に進められています。希少金属（レアメタル）のリチウムの代わりに地球上に豊富なマグネシウムを用いた蓄電池「マグネシウム蓄電池」は、安全・安価な蓄電池として注目されています。現在はマグネシウム蓄電池の高エネルギー密度^注３化を目指し研究が進められていますが、現行のリチウムイオン電池のエネルギー密度を超える正極材料の開発が大きな壁となっています。

東北大学多元物質科学研究所 小林弘明講師および慶應義塾大学 今井宏明教授らの研究チームは、マグネシウム蓄電池の正極材料として有望視されているスピネル型^注４のマグネシウムマンガン系酸化物（MgMn₂O₄）の開発を行いました。オールジャパンの研究チームとして、個々の研究機関が得意とするナノ粒子化技術、多孔質化技術などを結集した新しい材料合成技術を開発し、超多孔質かつ極小ナノ粒子スピネルの合成に成功しました。開発したスピネル材料を正極に用いることで、マグネシウム蓄電池の室温での高エネルギー動作が可能となりました。

本成果は2023年1月20日に米国化学会のナノテクノロジー専門誌ACS Nanoにオンライン掲載されました。

【用語解説】

注1.マグネシウム蓄電池、リチウムイオン電池
「マグネシウム蓄電池」は、負極に金属マグネシウム、正極に酸化物や硫化物を用いて繰り返し放電と充電ができる二次電池（蓄電池）。放電時は電解質中を負極から正極に電荷担体（キャリア）のマグネシウムイオンが移動する。一回の放電で使い切る一次電池は「マグネシウム電池」と呼ぶ。キャリアがリチウムイオンの電池は二次電池が「リチウムイオン電池」、一次電池が「リチウム電池」。

電荷担体（キャリア）	一次電池	二次電池（蓄電池）
リチウムイオン（Li+）	リチウム電池	リチウムイオン電池
マグネシウムイオン（Mg2+）	マグネシウム電池	マグネシウム蓄電池

注2.正極材料
電池の放電時に負極から電解質を通して移動してくるイオンを受け取る電極。二次電池の場合には充電時にイオンを放出する。マグネシウム蓄電池の正極材料には、これまで硫化物材料が開発されてきた。しかし硫化物正極は動作電圧が小さいためエネルギー密度が小さく、現行リチウムイオン電池のエネルギー密度を超えることはできなかった。

注3.エネルギー密度
「エネルギー密度」は電池から取り出せるエネルギー量の単位体積または単位質量当りの値。前者は（Wh/ℓ）、後者は（Wh/kg）で表す。また単位質量あたりの取り出せるパワー、言いかえると１秒間に取り出せる最大電力量を「出力密度」と言い（W/kg）で表す。エネルギー密度と出力密度が電池の性能を示す指標となる。

注4.スピネル型
「スピネル」はマグネシウム（Mg）とアルミニウム（Al）からなる酸化物の天然鉱物で、組成はMgAl₂O₄。スピネルの結晶構造をスピネル構造あるいはスピネル型の結晶構造と呼び、AB₂O₄（AとBは元素を表す）の組成を持つ。

詳細（プレスリリース本文）

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