【進化した蓄電池】マグネシウムをキャリアイオンとする新たな蓄電池材料の創製
神戸大学 工学研究科 応用化学専攻 無機物質創成化学研究グループ 松井雅樹准教授
■ 専門分野 ：電気化学、無機固体化学
■ キーワード：蓄電池、固体イオニクス、多価イオン伝導体、金属間化合物、マグネシウム、オペランド分光分析
■ 分野：材料/化学、エネルギー
リチウムイオン電池を超える次世代蓄電池の候補として、マグネシウム二次電池に注目して研究を行っている。マグネシウム金属は、体積あたりの容量がリチウムイオン電池に使われるグラファイトの約5倍と極めて高く、蓄電池材料として期待されている。一方、マグネシウムイオンは固相内での拡散が遅く、電極表面が容易に不動態化されるため、電池の高出力化が困難であると言われている。我々のグループでは、高いマグネシウムイオン導電性を示す、新たなイオン導電体の設計、および構造解析を行っている。また、この材料設計の指針を得るための解析ツールとして、オペランド赤外分光セルを開発し、電極／電解質界面の動的挙動解析を行っている。
リチウムイオン電池の場合、電極／電解質界面にSEIと呼ばれるイオン導電性の皮膜が生成する事で、安定な電気化学反応を実現している。一方、マグネシウムの場合はこの皮膜が不動態皮膜として電極反応を阻害することから、リチウム系とは異なるアプローチによる電極／電解質界面の材料設計が必要となる。
我々のグループが見出したMg3Bi2金属間化合物負極は、不動態皮膜の生成が抑制されることから、広い電位窓を持つ電解液中において、高い可逆性を示すだけでなく、Mg3Bi2バルクの持つ特異的に優れたイオン導電性により、室温下での高速充放電が可能となる。
蓄電池の小型化、コスト低減、資源リスクの回避など
・Active material for rechargeable battery, United States Patent 8,822,071
・Bismuth-tin binary anodes for rechargeable magnesium-ion battery, United States Patent 8,647,770
・Indium-tin binary anodes for recargeable magnesium-ion battery, United States Patent 8,673,493
・Active material for rechargeable battery, United States Patent 8,361,651
・Masaki Matsui et al., Destabilized Passivation Layer on Magnesium-Based Intermetallics as Potential Anode Active Materials for Magnesium Ion Batteries, Frontiers in Chemistry, Vol.7 Article 7 (2019)
・Hiroko Kuwata, Masaki Matsui et al., Passivation Layer Formation of Magnesium Metal Negative Electrodes for Rechargeable Magnesium Batteries, J. Electrohcem. Soc., 164 A3229-A3236 (2017)
・Masaki Matsui, et al, In-operando FTIR Spectroscopy for Composite Electrodes of Lithium-ion Batteries, Electrochemistry, 83 874-878 (2015)
・Rana Mohtadi, Masaki Matsui, et al. Magnesium Borohydride: From Hydrogen Storage to Magnesium Battery, Angewandte Chemie Internal Edition 51 9780-9783 (2012)
・Masaki Matusi et al, Electrodeposited Bi, Sb and Bi1-xSbx alloys as anodes for Mg-ion batteries, Electrochem. Commun., 16 103-106 (2012)
・Masaki Matsui, Study on electrochemically deposited Mg metal, J. Power Sources, 196, 7048-7055 (2011)
水畑 穣、牧 秀人
・マグネシウム二次電池の実現に向けた共同研究
・マグネシウム系で得た知見を応用可能なリチウム（もしくはナトリウム）イオン電池系での材料探索についての共同研究
・オペランド分光分析セルを用いた各種蓄電池材料のその場解析に関する共同研究・受託研究
・オペランド分光分析の技術移転
神戸大学 学術・産業イノベーション創造本部
oacis-sangaku［at］edu.kobe-u.ac.jp
（［at］を＠に変更してお送りください）
■ キーワード：蓄電池、固体イオニクス、多価イオン伝導体、金属間化合物、マグネシウム、オペランド分光分析
■ 分野：材料/化学、エネルギー
概要
リチウムイオン電池を超える次世代蓄電池の候補として、マグネシウム二次電池に注目して研究を行っている。マグネシウム金属は、体積あたりの容量がリチウムイオン電池に使われるグラファイトの約5倍と極めて高く、蓄電池材料として期待されている。一方、マグネシウムイオンは固相内での拡散が遅く、電極表面が容易に不動態化されるため、電池の高出力化が困難であると言われている。我々のグループでは、高いマグネシウムイオン導電性を示す、新たなイオン導電体の設計、および構造解析を行っている。また、この材料設計の指針を得るための解析ツールとして、オペランド赤外分光セルを開発し、電極／電解質界面の動的挙動解析を行っている。
何が新しいか？
リチウムイオン電池の場合、電極／電解質界面にSEIと呼ばれるイオン導電性の皮膜が生成する事で、安定な電気化学反応を実現している。一方、マグネシウムの場合はこの皮膜が不動態皮膜として電極反応を阻害することから、リチウム系とは異なるアプローチによる電極／電解質界面の材料設計が必要となる。
他の研究に対する優位性は何か？
我々のグループが見出したMg3Bi2金属間化合物負極は、不動態皮膜の生成が抑制されることから、広い電位窓を持つ電解液中において、高い可逆性を示すだけでなく、Mg3Bi2バルクの持つ特異的に優れたイオン導電性により、室温下での高速充放電が可能となる。
どのような課題の解決に役立つか？
蓄電池の小型化、コスト低減、資源リスクの回避など
関連する特許
・Active material for rechargeable battery, United States Patent 8,822,071
・Bismuth-tin binary anodes for rechargeable magnesium-ion battery, United States Patent 8,647,770
・Indium-tin binary anodes for recargeable magnesium-ion battery, United States Patent 8,673,493
・Active material for rechargeable battery, United States Patent 8,361,651
関連する論文
・Masaki Matsui et al., Destabilized Passivation Layer on Magnesium-Based Intermetallics as Potential Anode Active Materials for Magnesium Ion Batteries, Frontiers in Chemistry, Vol.7 Article 7 (2019)
・Hiroko Kuwata, Masaki Matsui et al., Passivation Layer Formation of Magnesium Metal Negative Electrodes for Rechargeable Magnesium Batteries, J. Electrohcem. Soc., 164 A3229-A3236 (2017)
・Masaki Matsui, et al, In-operando FTIR Spectroscopy for Composite Electrodes of Lithium-ion Batteries, Electrochemistry, 83 874-878 (2015)
・Rana Mohtadi, Masaki Matsui, et al. Magnesium Borohydride: From Hydrogen Storage to Magnesium Battery, Angewandte Chemie Internal Edition 51 9780-9783 (2012)
・Masaki Matusi et al, Electrodeposited Bi, Sb and Bi1-xSbx alloys as anodes for Mg-ion batteries, Electrochem. Commun., 16 103-106 (2012)
・Masaki Matsui, Study on electrochemically deposited Mg metal, J. Power Sources, 196, 7048-7055 (2011)
学内協働研究者
水畑 穣、牧 秀人
企業との協業に何を期待するか？
・マグネシウム二次電池の実現に向けた共同研究
・マグネシウム系で得た知見を応用可能なリチウム（もしくはナトリウム）イオン電池系での材料探索についての共同研究
・オペランド分光分析セルを用いた各種蓄電池材料のその場解析に関する共同研究・受託研究
・オペランド分光分析の技術移転
問合せ先
神戸大学 学術・産業イノベーション創造本部
oacis-sangaku［at］edu.kobe-u.ac.jp
（［at］を＠に変更してお送りください）
