東京理科大学・総合研究機構 藪内直明 講師、同理学部第一部応用化学科 駒場慎一 准教授らの研究グループは、ナトリウムイオン電池用電極材料としてレアメタルを必要としない新規鉄系層状酸化物の合成に成功したことを発表した。同成果は薮内氏、駒場氏のほか、同理学部第二部化学科 山田康洋 教授、GSユアサらによるもので、英国科学雑誌「Nature Materials」にて発表された。

再生可能エネルギーの有効利用などを目的として、電気エネルギーを蓄える「蓄電池」への注目が高まっている。すでに蓄電池としてはリチウムイオン蓄電池が日常生活において広く利用されており、近年では電子機器用の小型電源(～10Wh)だけではなく、電気自動車用の大型電源(～20,000Wh)として利用されるに至っている。

しかし、リチウムイオン電池の基本構成要素であるリチウムそのものは、地球の地殻中に20ppm(0.002%)程度しか存在しないレアメタルであり、日本はそのほとんどを輸入に依存している。またコバルト、ニッケルなどのレアメタルも必要となり、結果として、余剰電力や自然エネルギーの蓄電目的(～1,000 kWhクラス)としてリチウムイオン蓄電池を用いることを考えると、コスト的にも資源的にも制約を受けることが予想されている。

これまでに、研究グループではレアメタルの一種であるリチウムの代わりとして、日本においても無尽蔵な資源である「ナトリウム」に着目して研究を進めてきており、すでに炭素材料とニッケル・マンガン層状酸化物を用いることで、リチウムを用いずに常温で作動する新しいエネルギーデバイス「ナトリウムイオン電池」の立証に成功している。しかし、リチウムのナトリウムへの置き換えには成功したものの、同技術はニッケルが必要であり、高エネルギー密度なレアメタルフリーの電極材料の実現が求められていた。

図1 (左)ナトリウムイオン電池の動作原理模式図、(右)ラミネート型リチウムイオン電池とナトリウムイオン電池(試作)の写真

これまでの研究では、鉄系の層状酸化物としてアルファ型のナトリウム含有鉄酸化物(NaFeO2)が知られていたが、エネルギー密度は高く無く、一般的なリチウム電池用の正極材料と比較して6割程度のエネルギー密度しか得られなかったほか、電池としてその繰り返し特性も十分であるとは言えなかった。今回の研究では、鉄を50%ほどマンガンで置換することにより、これまでの層状構造とは異なるP2型として分類可能な層状材料の合成に成功した。

図2 (左)従来型層状酸化物と(右)今回発見された新規Fe系層状材料の比較、ナトリウムイオンに対する酸素の配位環境が異なっていることがわかる

この新規鉄系材料(Naz2/3[Fe1/2Mn1/2]O2)のナトリウム電池のエネルギー密度(正極重量ベース)を評価した結果、電気自動車用のリチウム電池で広く用いられているスピネル型リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)やリン酸鉄リチウム(LiFePO4)に匹敵するか、それ以上のエネルギー密度である500mWh/gのエネルギー密度が得られることが判明した。

図3 各種ナトリウム含有正極材料のエネルギー密度の比較

これは、これまでに報告されているナトリウムイオン電池用の正極材料として最も高い値であり、さらに、電池に求められる繰り返し特性にも優れることが判明しており、この結果から将来的にはリチウムやコバルト、ニッケルといったレアメタルを一切用いることなく、現状のリチウム電池に匹敵する高エネルギー密度の蓄電池が実現可能であることが示された。そのため研究グループでは、レアメタルフリーと高エネルギー密度が両立可能なナトリウムイオン蓄電池は、将来的には自然エネルギーの有効利用、スマートグリッド用の定置用大型電池、さらには電気自動車用の電源としての実用化が期待できるようになったとコメントしている。