カルシウムイオン電池:エネルギー貯蔵の次のフロンティア

アンドリュー・コルセリ

化学生物工学部准教授で責任著者のYoonseob KIM教授（右）と博士号取得者電気化学セルの型を手に持つ学生、YIN Zhuoyu (左)、筆頭著者。写真はバッテリーセルサイクラーの横にあります。 (画像:HKUST)

香港科技大学 (HKUST) の研究者は、日常生活におけるエネルギー貯蔵ソリューションを変革する可能性のあるカルシウムイオン電池 (CIB) 技術で画期的な進歩を達成しました。準固体電解質 (QSSE) を利用するこれらの革新的な CIB は、エネルギー貯蔵の効率と持続可能性を向上させることを約束し、再生可能エネルギー システムから電気自動車に至る幅広いアプリケーションに影響を与えます。この研究結果は国際雑誌アドバンスト サイエンスに掲載されています。 タイトルは「レドックス活性共有結合有機フレームワーク電解質による高性能準固体カルシウムイオン電池」

持続可能なエネルギー貯蔵ソリューションの緊急性は世界中で高まっています。世界がグリーンエネルギーへの移行を加速する中、効率的で安定したバッテリーシステムの需要がかつてないほど高まっています。現在主流のリチウムイオン電池（LIB）は、資源不足とほぼ限界に近いエネルギー密度による課題に直面しており、持続可能な未来のためにはCIBのような代替品の探索が不可欠となっています。

CIB は、LIB に匹敵する電気化学ウィンドウと地球上に豊富に存在するため、大きな期待を持っています。しかし、特に効率的なカチオン輸送の達成と安定したサイクル性能の維持においては、課題を抱えています。現在、これらの障害により、市販の LIB に対する CIB の競争力が制限されています。

これらの課題を克服するために、HKUST 化学生物工学部准教授 Yoonseob KIM 教授が率いる研究チームは、QSSE として機能する酸化還元共有結合性有機フレームワークを開発しました。これらのカルボニルリッチ QSSE は、室温で顕著なイオン伝導率 (0.46 mS cm-1) と Ca2+ 輸送能力 (>0.53) を示しました。研究チームは、実験研究とシミュレーション研究を組み合わせて、Ca2+ が秩序ある COF 細孔内で整列したカルボニル基に沿って急速に輸送されることを明らかにしました。

この革新的なアプローチにより、0.15 A g-1 で 155.9 mAh g-1 の可逆比容量を示し、1,000 サイクル後も 1 A g-1 で 74.6 パーセントを超える容量保持率を維持する完全なカルシウム イオン電池が誕生しました。これは、CIB 技術を進歩させる酸化還元 COF の可能性を示しています。

この研究で実現された、共有結合性有機骨格ベースの準固体電解質と動作するフルセルの合成プロセスを示す概略図。 (画像:HKUST)

こちらは独占的な技術ブリーフです。 キムとのインタビュー。長さと明瞭さのために編集されています。

技術概要 :この CIB テクノロジーの画期的な開発中に直面した最大の技術的課題は何ですか?

キム :最大の課題は、カルシウム イオンの移動が本質的に遅いことでした。リチウムイオンと比較して、カルシウムイオンはサイズが大きく、電荷が強いため、特に導電率がリチウムの10倍以上低い準固体電解質では拡散が非常に遅くなります。この導電率の大幅な低下を克服することは、カルシウム イオン電池を実用化するために不可欠でした。

これに対処するために、私たちは高結晶性の多孔質材料を使用して垂直に整列したイオン輸送経路を構築することを検討しました。これらの構造を設計することで、イオンの移動を促進する連続チャネルを作成することを目指しました。さらに、効率的なカルシウムイオン輸送を促進および維持するために、これらの経路に沿って戦略的に配置された活性部位を導入しました。このアプローチは革新的であるだけでなく、材料構造と表面化学をナノスケールで正確に制御する必要があるため、実装が非常に困難でした。

技術概要 :仕組みを簡単に説明してもらえますか?

キム :従来のバッテリーを、ブリッジで接続された 2 つのコンテナとして想像してください。イオン（荷電キャリア）は、電気を生成するためにその橋を渡る必要があります。カルシウム電池の課題は、カルシウムイオンが現在ほとんどの電池で使用されているリチウムイオンよりも大きく、「粘着性」があることです。特に、液体ではなく固体に似た準固体電解質では、途中で速度が低下したり滞ったりする傾向があります。

そこで、バッテリー内に特別な高速道路システムを構築しました。多孔質素材を使用することで、カルシウムイオンを正しい方向に導く透明なレーンを実現しました。また、途中に「サービス ステーション」、つまりイオンの動きを維持するために少しブーストを与えるスポットも追加しました。この設計により、大きなカルシウム イオンが効率的に移動できるようになるため、バッテリーは希少なリチウムの代わりに豊富なカルシウムを使用してエネルギーを効果的に貯蔵し、供給することができます。

技術概要 :今後の研究や仕事などについて、何か決まった計画はありますか?そうでない場合、次のステップは何ですか?

キム :はい、次のステップは明確です。まず、イオン輸送チャネルをさらに最適化して、より高いカルシウムイオン伝導率を達成する予定です。私たちの目標は、共有結合性有機フレームワーク (COF) 材料を介して単一のカルシウム イオン伝導を可能にすることです。これは、専用のエクスプレス レーンのように、各チャネルがより効率的にイオンを運ぶことを意味します。

次に、正極と負極の材料と構造の最適化に取り組みます。最終的には、エネルギー密度と安全性をさらに向上させる全固体カルシウムイオン電池の開発を目指しています。これにより、カルシウムを豊富に使用した実用的な高性能バッテリーに近づくことができます。

技術概要 :私が触れなかった他に何か追加したいことはありますか?

キム :充電式バッテリーの有望な方向性について話します。これは、私たちが興奮している重要な方向性の 1 つです。現在、私たちはアノード活物質を使用したバッテリーの構築に焦点を当てていますが、最終的な目標はアノードフリーのバッテリーを開発することです。

負極材料を持ち歩く必要がないバッテリーを想像してみてください。負極材料は充電中に自動的に形成されます。これにより、あらゆる材料が効率的に使用されるため、エネルギー密度が大幅に向上します。それは、同じスーツケースにさらに多くの荷物を詰め込むようなものです。

アノードフリー設計は二次電池の次世代と考えられており、カルシウム化学がそこに到達するユニークな機会を提供すると信じています。野心的ではありますが、それが私たちが取り組んでいることです。

技術概要 :アイデアの実現を目指す研究者に何かアドバイスはありますか?

キム :ここでいくつかの提案があります:

まず、難しい問題を避けるのではなく、受け入れてください。課題が難しい場合、その解決策には価値があることを意味します。カルシウム イオンは本質的にリチウムよりも遅いですが、その根本的な課題を解決することが、このブレークスルーを意味のあるものにします。

第二に、化学的だけでなく構造的に考えてください。場合によっては、答えは新しい素材ではなく、それをどのようにアレンジするかにあることもあります。私たちの多孔質チャネルの設計は、「何を」するだけでなく、「どのように」、イオンが実際に空間をどのように移動するのかを考えることから生まれました。

そして最後に、辛抱強く、しかし根気よく続けてください。ブレークスルーが一夜にして起こることはほとんどありません。これらは、導電率を数パーセント向上させ、さらに数パーセント向上させ、突然閾値を超えるまで改善するなど、小さな漸進的な成果から生まれます。

解決する価値のある問題とは、簡単に諦めない問題です。