以前からエネルギーの専門家は、化石燃料を置き換え、CO2排出量を削減するには、将来、より多くのクリーンエネルギーが必要になると強く主張してきました。たとえば、道路を走るガソリン車は電気自動車に置き換わる必要があります。しかし、電気自動車の航続距離を延ばしたり、携帯電話をより長く充電状態に保ったりするには、より優れた電池を、より多く必要とします。再生可能エネルギーへの移行において、蓄電池は風力タービンや太陽光発電所の余剰電力を蓄え、エネルギー供給の変動を補ううえでも重要な役割を果たします。
この点について研究者たちは、今日のリチウムイオン電池に使われている材料より重くも大きくもない一方で、エネルギー密度と充電容量がより高い新素材を熱心に探しています。現在の電池はスマートフォン、電気自動車、ノートパソコンに安定した電力を供給していますが、増大する需要には対応しきれていません。電気化学材料研究所の研究者、セミ・アフヨン博士は、電池研究を推進する基本的な考えを次のように要約します。「安全で、性能が高く、長持ちする電池を実現するには、新しい化学と新規化合物が必要です。」
結晶ではなくガラス粒子
アフヨンと、名誉退職教授で化学者のラインハルト・ネスパーが率いるETHの研究者たちが、新たな発見をしました。数年にわたる研究の結果、電池容量を2倍にできる可能性を秘めた材料、バナジン酸塩・ホウ酸塩ガラスを発見しました。研究者たちはこのガラスを正極材料として用いており、その成果はNatureの出版社が刊行する学術誌『Scientific Reports』で最近報告されました。
この材料は酸化バナジウム（V2O5）とホウ酸リチウム（LiBO2）の前駆体から作られ、材料の電極特性を高めるため、還元酸化グラフェン（RGO）で被覆されています。研究者たちがバナジウム系化合物を用いたのは、バナジウムがさまざまな酸化状態を持つ遷移金属であり、それを利用してより高い容量を実現できるためです。結晶形の五酸化バナジウムは、正極に現在使われているリン酸鉄リチウムなどの材料の3倍にあたる、正電荷を帯びたリチウムイオンを3個受け入れることができます。
しかし、結晶性の五酸化バナジウムは挿入されたLiイオンをすべて放出できず、安定した充放電サイクルも数回しか持ちません。これは、充電時にリチウムイオンが結晶格子に入り込むと、格子が膨張するためです。その結果、電極粒子全体が膨らみ、つまり体積が増加し、電荷が粒子から離れると再び縮みます。この過程は、構造変化や接触の喪失という点で、電極材料の不安定化につながる可能性があります。
そこで研究者たちは、容量を最大化し、電荷を「受け入れる」能力も維持しながら、初期材料の構造を保つ方法を見つける必要がありました。こうして、バナジウムを結晶形ではなくガラスとして使う発想に至りました。ガラスは、いわゆる「非晶質」材料であり、原子は結晶状態のように規則的な格子を形成しません。原子はむしろ、無秩序な状態にあります。
安価で簡単な製造
正極材料を製造するため、アフヨンと同僚たちは粉末状の五酸化バナジウムをホウ酸塩化合物と混合しました。「ホウ酸塩はガラス形成剤です。そのためホウ酸塩化合物を使いました。こうしてできたガラス化合物は新しい種類の材料で、最終的にはV2O5でもLiBO2でもありません」と研究者は話します。材料科学者たちは粉末を900°Cで溶融し、ガラスを形成するため、溶融物をできるだけ速く冷却しました。得られた紙のように薄い板は、表面積を増やし細孔空間を作るため、使用前に粉砕して粉末にしました。「バナジン酸塩・ホウ酸塩ガラスの大きな利点の一つは、製造が簡単で安価なことです」とアフヨンは述べます。これにより、産業用途が見つかる可能性が高まると期待されています。
効率的な電極を作るため、研究者はバナジン酸塩・ホウ酸塩粉末を還元酸化グラフェン（RGO）で被覆しました。これにより導電性が高まると同時に、電極粒子が保護されます。一方、電極内を輸送される電子やリチウムイオンの流れは妨げません。
アフヨンはこのバナジン酸塩・ホウ酸塩ガラス粉末を電池の正極に用い、試作品のコイン型電池に組み込んで、多数の充放電サイクルを実施しました。
電力は最大で2倍
RGOで被覆されていない材料を使ったバナジン酸塩・ホウ酸塩電極での初期試験では、電流率を1グラム当たり400ミリアンペアに上げると、30回の充放電サイクル後に放電容量が大幅に低下しました。対照的に、RGO被覆を用いた場合、高率でも容量はかなり安定しており、100回を超える充放電サイクル後も一貫して高い水準を保ちました。
RGO被覆したバナジン酸塩・ホウ酸塩ガラス電極を備えた電池の一つは、1キログラム当たり約1000ワット時のエネルギー密度を示しました。放電容量は300 mAh/gを大きく上回りました。当初、この数値は400 mAh/gに達しましたが、充放電サイクルを重ねるうちに低下しました。
「これは、携帯電話を現在のリチウムイオン電池より1.5倍から2倍長く動かすのに十分なエネルギーです」とアフヨンは推定します。これにより、電気自動車の航続距離も標準的な値の1.5倍になる可能性があります。これらの数値はまだ理論上のものです。
特許と今後の開発
研究者たちはすでに新材料の特許を出願しています。また、産業界のパートナーとともに開発にも取り組みました。「私たちは基礎研究だけでなく、実用化にも重点を置きました」と研究者は話します。新しい概念が市場に定着するには、通常10年から20年ほどかかります。
バナジン酸塩・ホウ酸塩ガラスで得られた良好な結果を受け、研究者はこの分野の研究を続けています。アフヨンは現在、電気化学材料教授ジェニファー・ラップが率いる研究コンソーシアムで、プロジェクトリーダーとして革新的な全固体電池の開発に取り組んでいます。このシステムではすでにバナジン酸塩・ホウ酸塩電極を使用し、試験しています。次の段階はシステムの最適化です。特に、充放電サイクル数を大幅に増やす必要があります。電池や電極の設計を改良するほか、還元酸化グラフェン以外の被覆材を使うことで実現できる可能性があります。
本記事は ETH Zurichとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：ピーター・リュエッグは、ETH Zurichで生物学を学び、生態学、植物地理学、生物系統学を専門としました。
画像：2009年12月8日、ロンドンのリサイクルセンターで、電池が回収箱に入れられている。REUTERS/Kevin Coombs。
