phasonの日記: 高出力可能な亜鉛-マンガン二次電池
"Energetic Zinc Ion Chemistry: The Rechargeable Zinc Ion Battery"
C. Xu, B. Li, H. Du and F. Kang, Angew. Chem. Int. Ed., in press.
電池の開発にはいくつかの方向がある.一つは大容量を求める方向で,使用時間を延ばすというものだ.こちらに関しては現在ほぼLiイオン電池の独壇場であり,一部に価数の大きいイオン(例えばMg2+やAl3+など)を使うことで容量をもっと増やそうという動きはあるものの,当分はLiイオン電池の優位は揺るがないと思われる.
その一方,これとは異なる方向の研究として,大出力を求めるものや低コストを指向したものがある.大出力というのは,要は短時間に電流を一気に出力(および蓄積)できるような用途で,例えば回生ブレーキなどに向いている.Liイオン電池においても,電極の材質や構造を工夫することで出力を増やしたものは存在するが,ほぼ全てのLiイオン電池電極は充放電過程において結晶構造の変化を伴うため速度が遅く,大出力という意味ではスーパーキャパシタなどに一日の長がある(ただし容量は低い).一方の低コスト,という面でもLiイオン電池は不利であり,Li資源が限られていること(海中などにも多量に含まれるなど量自体は多いが,コスト的に見合うLi源に限るとそれほど多くない),また電極に使う材料が高コストなものも多い事が足枷となる.
今回報告されているのは,ありふれた原料であるマンガンと亜鉛を用い,現在のいわゆるマンガンおよびアルカリマンガン乾電池を上回る容量と,非常に高速な充放電性能を実現した二次電池である.
用いているのは,電極として金属亜鉛とMnO2を用いた電池である.これは通常のマンガン乾電池などに近いが,α-MnO2と呼ばれる結晶構造のMnO2を用いている点と,電解液にZnSO4やZnNO3といった,腐食性の少ないマイルドなものを用いている点が特徴となる.
α-MnO2はホランダイトとも呼ばれるものであり,特徴としては八面体型のマンガン酸化物のユニットが壁となった,1軸方向にずっと続いたトンネル状構造を持っていることが挙げられる.
具体的には,
http://www.phys.psu.edu/~liu/EM_alex.htm
のBaRu6O12という構造と同じになる.
このトンネルにはイオンが一列に入っていくことが可能であり,今回の電池では電極の亜鉛から生じたZn2+がトンネルに入ったり出たりすることで充放電を行う.この充放電過程,トンネルにイオンが入ったり出たりするだけで構造変化を伴わないことから,高速な充放電が期待できる.一方対極の亜鉛に関しても,単に溶けたり析出したりするだけなので,構造変化による速度の低下はほぼ関係がない.
この二つの電極で電池を構成すると,起電力はほぼ1.5Vと現在の乾電池系とほぼ同じ電位が実現される.充放電では,例えば0.5C,つまり2時間かけて充電,2時間かけて放電というゆっくりとした速度では既存のアルカリマンガン電池系の2倍弱,現在のニッケル水素電池の容量をやや下回る程度の容量が実現され,容量面もなかなかなものがある.そして高出力性能であるが,126C,つまり28秒で充電,28秒で放電という大出力条件下でも使用可能であった.まあもちろん高速充放電を行うと容量が減り(これは一般的な傾向),通常のアルカリマンガン電池系の半分程度の容量になる(通常の電池の半分の容量を,28秒で充電したり,28秒で放電しきったり出来る).通常の電池と同程度の容量で良ければ,おおよそ5-6C程度(10分強程度で充電や放電が可能)まで可能となる.
この手の電池はリチウムイオン電池に比べるとやや地味になってしまうのだが,それでも高速充放電が可能,低コストな材料で構築されている,環境負荷の少ない材料である,など,見るべきところの多い電池である.
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