北大など、次世代金属-空気2次電池に向けた可逆酸化物電極触媒を開発

北海道大学(北大)と物質・材料研究機構(NIMS)は7月24日、次世代2次電池と期待されている金属-空気2次電池のための空気極触媒として、新規層状酸化物の開発に成功したと発表した。

同成果は、同大 触媒化学研究センターの竹口竜弥准教授らによるもの。NIMS 国際ナノアーキテクトニクス拠点の魚崎浩平フェローと共同で行われた。詳細は「Journal of the American Chemical Society」に掲載された。

電気自動車(EV)やプラグインハイブリッド車の電源として、リチウムイオン電池が使われているが、EVの本格的普及には航続距離の延長に向けたエネルギー密度の高い次世代2次電池の実現が必要と考えられている。その中の1つとして期待される金属-空気電池の理論エネルギー密度は、現在実用化されているリチウムイオン電池の200Wh/kgより高く、リチウム-空気電池では1万1140Wh/kg、アルミニウム-空気電池では8100Wh/kgで、ほぼガソリンのエネルギー密度に匹敵するという。しかし、既存の空気極は、充電・放電反応が起こるが反応効率が低く、新しい空気極触媒の開発が望まれていた。

今回、竹口准教授は、金属-空気2次電池の空気極触媒として、充電・放電にほとんどエネルギーロスが生じない、高い触媒活性を示す層状ペロブスカイト酸化物電極触媒を開発し、NIMSの魚崎浩平フェローらと共同で、可逆触媒機能実現の機構などの解明に挑んだ。

従来技術による金属-空気電池では、空気極の放電・充電の反応速度が遅く、大きなエネルギーロスが生じてしまうが、今回の研究では、層状ペロブスカイト酸化物、LaSr₃Fe₃O₁₀を開発して、空気極触媒として用いることで、放電・充電時にエネルギーロスがほとんどない触媒であることが確認されたという。

このような、高活性な可逆空気極の報告例はない他、十分に電気伝導性があるため、従来のようにカーボンを用いる必要がなく、安全で高性能、かつ耐久性が高い2次電池の実用化への期待が高まるとしている。

また、同触媒の高い活性が発現するメカニズムを明らかにするために、大型放射光施設SPring-8 にて、XAFS測定により触媒の還元のしやすさを調べたところ、この層状ペロブスカイト酸化物は、同じような組成の単純ペロブスカイトよりも還元しやすいことが判明。これにより、層状ペロブスカイト酸化物内に酸素が存在し、その酸素が容易に出入りできることから充電・放電反応を促進していることが分かったという。

今回開発され層状ペロブスカイト酸化物触媒は、貴金属を使う必要がなく、低コスト化と貴金属資源の保全に寄与することから、EVの本格的な普及に寄与するだけでなく、変動の激しい風力や太陽光発電などで得られる再生可能エネルギーの平準化により、エネルギーの安定供給が期待されると研究グループではコメントしている。