マグネシウムイオン固体電池：リチウムより安全で高効率

共同エネルギー貯蔵研究センター、マグネシウムイオン固体導体を開発し不燃性電池へ道筋

爆発しない高エネルギー密度固体電池を約束するにはまだ早い段階ですが、共同エネルギー貯蔵研究センター（JCESR）の研究者たちが、マグネシウムイオン固体導体を開発しました。これは、より多くのエネルギー貯蔵容量を持つ不燃性マグネシウム電池の実現に大きく前進するものです。リチウム電池が発火する理由は、陽極と陰極の間で電荷を運ぶ液体電解質を使用しており、これが引火性物質となり得るためです。しかし、マグネシウム固体導体は電解質として使用可能（液体ではない）で、難燃性です。これにより、将来的にはSamsung GalaxyやiPhoneが破裂することはなくなるでしょう。

トヨタやKITなど複数企業がより良い液体電解質の構築に注力してきましたが、それらは電池の他成分を腐食させる傾向があります。そこで研究者たちは別のアプローチを試みました。なぜマグネシウムではないのか？ リチウムより高い密度を持ち、自然界にはるかに豊富に存在します。この技術開発のため、研究者たちはマグネシウム・スカンジウム・セレン化スピネルを選択しました。これはリチウム固体電解質と同等のマグネシウム移動度を持ちます。どのように実現したか見ていきましょう。

MITとアルゴンヌ国立研究所の役割

科学者チームは、計算リソースを提供したMIT研究者たちと、マグネシウム・スカンジウム・セレン化スピネル材料の構造と機能を記録したアルゴンヌ国立研究所の支援を受けました。アルゴンヌの研究化学者Baris Key氏は、NMR（核磁気共鳴）分光法テストを実施し、理論研究で予測された通りにマグネシウムイオンが材料内を高速移動できることを実証しました。実験データは未知の材料構造と複雑な特性を含み、理解がかなり困難でした。固体NMRとシンクロトロン測定に加え、従来の電気化学的特性評価を適用してこれらの発見を可能にしました。NMRは、医療で人間の神経、筋肉、脂肪組織内の水素原子を可視化するMRI（磁気共鳴画像法）と非常に似ています。NMR周波数を調整することで、電池材料中のマグネシウムやリチウムイオンなど他の元素を特定できます。

なぜマグネシウム・スカンジウム・セレン化スピネルなのか

スピネル構造は設計パラメータに基づいて選択されました。これらの構造は、アニオンあたりの体積が大きく、最も高いマグネシウム移動度を持ちます。NMR緩和測定とインピーダンス分光法が、低移動障壁での高速マグネシウムイオン運動を確認しました。インピーダンス分光法が混合伝導挙動を示すため、実用的な固体マグネシウム電解質として使用するには電子伝導度を抑制する計画が必要です。固体マグネシウム電解質の製造に大きく影響する2つの根本現象（点欠陥の役割、マグネシウム移動度と電気化学への転位影響）についての論文が『Chemistry of Materials』に掲載されています。観測によれば、電子伝導度は固有欠陥またはマグネシウム非含有の第二相によって引き起こされる可能性があります。したがって、マグネシウム・スカンジウム・セレン化スピネルの欠陥化学を理解し、電子伝導度を低減することが重要です。電子伝導を回避する代替アプローチとして、表面をイオン伝導性だが電子絶縁性に設計することが挙げられます。これは、材料の固体電解質と電極間の薄い界面のその場形成、または異材料の薄層エキスシチュコーティングで達成可能です。固体電池のまともな性能を確保するには、実用的なコーティング層がマグネシウムに対して十分なマグネシウム移動度を示す必要があります。研究チームは、二元マグネシウムセレン化物、マグネシウム硫化物、マグネシウム酸化物など、マグネシウム材料に対する顕著な電解質分解生成物におけるマグネシウム拡散を検討しました。マグネシウム酸化物とマグネシウム硫化物では高い拡散障壁を発見しましたが、マグネシウムセレン化物はより低い値を示しました。したがって、硫化物と酸化物で構成される潜在的なマグネシウム固体電解質は、二元マグネシウムカルコゲナイドと比較して、マグネシウム金属に対して使用される際、より良いマグネシウム移動度を持つ界面生成物の生成を保証する必要があります。室温で高いマグネシウムイオン伝導性を持つ最初のスピネルを特定しただけでなく、この研究は高速多価イオン固体導体の設計ルールを以前検出されていたものを検証しました。これは、電解質材料や電極として機能する高速マグネシウム移動性を持つ更なる固体の発見に向けた励みになる一歩です。

効果と将来の展望

上海交通大学の助教授Bo氏によれば、この研究はエネルギー情勢に顕著な影響を与えるでしょう。技術は初期段階ですが、近い将来、エネルギー貯蔵に変革的インパクトをもたらす可能性があります。画期的でエキサイティングですが、チームは実際の電池で材料を使用するにはまだ多くの改良作業が必要だと述べています。現在、少量の電子漏れがあり除去が必要ですが、改善されたイオン移動度はより安全な商用電池への期待を抱かせます。

参考論文

High magnesium mobility in ternary spinel chalcogenides