東北大学は5月23日、地殻中の埋蔵量が豊富なカルシウム(Ca)を用いた「Ca蓄電池」を開発するため、天然鉱物としても知られる「コベライト」(硫化銅、CuS)に着目し、ナノ粒子化と炭素材料との複合化を行うことで、Caイオン(Ca2+)を大量に貯蔵可能な正極材料を開発したことを発表した。

さらに、水素クラスターを含む電解液を用いることで、CuS正極とCa金属負極を組み合わせた電池を試作し、実用化の指標となる500回以上の繰り返し充放電を実現したことも併せて発表された。

  • (上)カルシウム蓄電池の概略図。(下)今回開発された電池の繰り返し充放電特性。横軸は繰り返し充放電回数、左縦軸は各充放電における充電容量および放電容量。

    (上)カルシウム蓄電池の概略図。(下)今回開発された電池の繰り返し充放電特性。横軸は繰り返し充放電回数、左縦軸は各充放電における充電容量および放電容量。(出所:東北大プレスリリースPDF)

同成果は、東北大 金属材料研究所(IMR)の木須一彰助教、同・大学 材料科学高等研究所(AIMR)の折茂慎一所長(IMR教授兼任)、トヨタ 北米先端研究所のRana Mohtadi博士(AIMR 主任研究者兼任)らの共同研究チームによるもの。詳細は、物理・化学・医学・生命科学・工学などの基礎から応用までを扱う学際的なオープンアクセスジャーナル「Advanced Science」に掲載された。

地殻中に5番目に多く存在するCaは安価で入手しやすく、産出地が広く分布しているため調達リスクも低い。そのため、Ca蓄電池の開発により電池の低コスト化も期待できるとする。さらに、Ca金属は低い酸化還元電位(-2.84V、標準水素電極基準)と高い容量(1337mAhg-1、2033mAhmL-1)を併せ持つため、エネルギー密度の観点からも蓄電池に用いる負極材料として有望と考えられているという。

しかしCa蓄電池の開発では、正極電極材料および電解液における課題を抱えており、実際、繰り返しの充放電が可能なCa蓄電池はこれまで開発されていなかった。その主な課題は、可逆にCa2+の出し入れ(貯蔵)が可能な正極材料が見出されていないことと、伝導率と安定性を兼ね備えた電解液がなかったことの2点だとする。

ただし電解液に関しては、研究チームが2021年、高い伝導率(4mScm-1)と優れた安定性(Ca金属に対する安定性、広い電位窓、フッ素フリー)を有する水素クラスター含有の水素化物電解液を開発し、課題を解決した。そしてこの電解液の開発が契機となり、さまざまなCa蓄電池用の正極材料の開発が進展しはじめたという。