リチウムイオン電池を超える蓄電池は実現できる？ - 進む次世代蓄電池研究

進むポストリチウムイオン電池の研究

東京大学 生産技術研究所の八木俊介 准教授の研究グループは現在、主流になっているリチウムイオン電池の次に社会で活用されることを目指した新たな二次電池の研究開発を精力的に進めている。次世代の高性能なスマートフォンや電気自動車の電源として、高性能かつ低価格な次世代型のリチウムイオン電池あるいはポストリチウムイオン電池のニーズが急速に高まっているからだ。

そうしたニーズに応えるポストリチウムイオン電池の実現を目指している八木准教授の研究開発成果の一例が、「マグネシウム二次電池」である。この二次電池研究では、正極の材料をかなり工夫することで、室温での動作を可能にしたという。また、亜鉛-空気二次電池も試作品レベルとして駆動可能なものを作成するなど、さまざまな試みを多面的に続けている(図1、図2)。

• 亜鉛-空気二次電池の試作品の1例

• 亜鉛-空気二次電池の試作品による通電で光る発光ダイオード。すでに実際に電池として機能していることが実証されている

亜鉛-空気二次電池は、空気中の酸素ガスを正極の活物質に用いているために、かなりの小型・軽量化が期待されている。この試作品では、正極にCo-Ni-S(コバルト-ニッケル-硫黄)とN(窒素)をドープしたC(炭素)の複合材料を採用している模様だ。八木准教授は電気化学や化学熱力学などの専門知識を多面的に駆使して、さまざまな発想を基に新規機能性材料の研究開発を続けている。また、電解液にも工夫を凝らしているようだ。

電池の研究開発とビジネスをけん引してきた日本

八木准教授は、ポストリチウムイオン電池の研究開発を、日本の国家プロジェクトとして強力に進めている日本科学技術振興機構(JST)の研究開発プロジェクトの一員としても活躍している。この研究開発プロジェクトとは、JSTが戦略的創造研究推進事業の中で進めている「ALCA-SPRINGプロジェクト」を指している。このALCA-SPRINGプロジェクトは、次々世代の高性能な二次電池を日本が先行して研究開発し、この研究開発成果を用いた事業化を実現することで、日本企業の事業優位性を保とうする意欲的な研究開発チームである。

筆者注:JSTが戦略的創造研究推進事業の中で進めているALCA-SPRINGは、平成25年(2008年)7月からスタートし、現在は第2期に入ったところだ。

八木准教授は、ポストリチウムイオン電池の研究開発を進める意義について、「2019年12月に旭化成の吉野彰 名誉フェローをはじめとする科学者3名がノーベル化学賞を受賞した理由は、リチウムイオン電池の研究開発成果が評価されたもの」とし、1990年に世界に先駆けてリチウムイオン電池の商品化を果たしたソニーを筆頭に、松下電池工業(現:パナソニック)や三洋電機(現:パナソニック)などが事業化し、携帯機器などの電源として生活を便利に改革した日本企業の取り組みがあったからこそと説明する。

旭化成の吉野彰 名誉フェローがリチウムイオン電池の負極材用に炭素系を活用するなどの研究開発成果を基に、リチウムイオン電池が実用化・事業化されてから約30年を経た現在、八木准教授は「リチウムイオン電池の限界もかなり見えてきた」とし、ポストリチウムイオン電池の開発の必要性・重要性を強調する。

電池分野における日本の研究開発力の強さの秘密

現在、日欧米・中国などで生産・販売されている電気自動車だが、次世代向けには全固体電池と負極に炭素系材料を用いないリチウムイオン電池の研究開発が熱心に進められており、そのうちのいくつかはすでに試作品の開発も始まっている。そうした取り組みを踏まえ、八木准教授は「リチウムイオン電池の高性能化は今後も続いていくが、そのさらに数歩先を行く先端的なポストリチウムイオン電池をその進化と並行して研究開発していくことが重要だ」と語る。

その先端的なポストリチウムイオン電池として、八木准教授は「ナトリウム二次電池(1価カチオン電池)」、「マグネシウム二次電池(2価カチオン電池)」、「アルミニウム二次電池(3価カチオン電池)」などの「多価カチオン電池」、さらに「金属-空気電池(リチウム利用あるいはそれ以外の元素)」などが有力候補と考え、精力的に研究開発を進めている。

例えば、マグネシウム二次電池のメリットについて、「マグネシウムは海水に含まれている金属元素である点から、入手がしやすいという意味では非常に有利な候補材料」とするほか、「マグネシウムは2価のイオンをつくり、大気中で用いる金属としては標準電極電位が低く、またリチウム系で問題となっているデンドライト成長が起こりにくいといった利点も持っている」と、その魅力を語る。

またALCA-SPRINGプロジェクトでの研究開発では、八木准教授の出身大学/大学院である京都大学大学院工学研究科の松原英一郎研究室で上司だった市坪哲 教授(東北大学金属材料研究所 先端エネルギー材料理工共創研究センター センター長)と連携して精力的に研究開発を進めている。

多くの研究者たちが手を取り合って多重・多層の仕掛けでポストリチウムイオン電池の将来に向け、電池の研究開発に没頭する現状こそ、日本の研究開発力の強さの秘密のようだ。

研究者プロフィール

八木俊介(やぎしゅんすけ)
東京大学 生産技術研究所 准教授

【略歴】
2002年 京都大学工学部卒業
2007年 京都大学工学研究科 博士課程 修了
同年 京都大学工学研究科 助教
2011年 大阪府立大学　21世紀科学研究機構 ナノ科学・材料研究センター テニュア・トラック講師(PI)
2013年 東京工業大学 非常勤講師(集中講義)
2016年 東京大学 生産技術研究所 准教授(PI)
2018年 マサチューセッツ工科大学 客員研究員
同年 平成30年度 東京大学卓越研究員
現在に至る