冨士色素、「アルミニウム-空気電池」の二次電池実用化に目処


冨士色素株式会社(本社:兵庫県川西市、代表取締役社長:森 良平)は、電解質にイオン液体系電解液を用いた「アルミニウム-空気電池」を実現した。

さらに空気極に窒化チタンや炭化チタンを用いることにより、電気化学反応中に電池内部に蓄積していき反応を阻害する水酸化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの副生成物を抑制できることを発見。

負極、空気極の両方に於いて、これら副生成物の生成を抑制することができたのは世界初であると同社では述べている。またこれにより、「アルミニウム-空気電池」の完全なる二次電池化への目途がつくことになったと発表している。

発表概要のポイントは以下の通り

1.資源的に豊富で、安価なアルミニウムを電極材料とした新型蓄電池の実用化に目処。

2.理論的には、リチウムイオン電池の40倍の電池容量がある
  (リチウムイオン電池:200Wh/Kg、アルミニウム-空気電池:8,100Wh/Kg)。

3.リチウム、危険な電解液などの不安定な物質は一切使用せず、全ての構成材料が安全であるため空気中で安定に作動し、また空気中で製造も可能。

リチウムイオン電池などのように爆発や燃焼したりする心配が全くなくなる。

4.電気化学反応中に電池内部に蓄積していき反応の阻害物である水酸化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの副産物の生成を負極、空気極の両方に於いて、抑制することができたのは世界初のこととなる。

近年、化石燃料の消費にともなう二酸化炭素排出量の増加から生じる地球温暖化問題や、原油価格の激しい変化などを背景に、自動車のエネルギー源を、ガソリンや軽油から電気エネルギーに転換していくことが注目、実用化され始めている。

しかし一方で、さらなる長距離走行のために蓄電池としての高性能化と低コスト化が期待されていながら、携帯電話やノートパソコンなどに用いられている現行のニッケル水素電池やリチウムイオン電池では電池容量に制約があり、長距離走行が困難である。

また大量の電池を自動車に搭載する必要があることから、車体価格が大幅に上昇するという問題がある。

よってリチウムイオン電池よりも、はるかに大きいエネルギー密度を有する次世代二次電池の開発が緊急の課題となってきている。

同社はその次世代二次電池の候補の一つである「金属-空気電池」の中でも、最も材料として扱いやすく、安価で資源の面からも安心なアルミニウムに注目して研究を鋭意進めてきた。

他の二次電池の金属材料とされるリチウム、亜鉛、マグネシウム、ナトリウムと比較しても、同社が同件で使用しているアルミニウムは安価であり、最も地球上でリサイクルされている金属であるため資源量の観点からも安心感が伴う。

また「アルミニウム-空気電池」の理論的電池容量は8100 Wh/Kgであり、他の次世代二次電池候補の中でも突出している。

しかし従来型の「アルミニウム-空気電池」は、使い切りの一次電池でしかなかった。

こうしたことを背景に、二次電池化への試みとして電解質を工夫するなどの観点から、イオン液体系の電解液を用いたアルミニウム-空気電池が研究されてきたが、負極に於いて電気化学反応を阻害する酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムの抑制は可能であったものの、空気極に於いては、これらの副生成物が蓄積され、完全なる二次電池化はできていない状況であった。

そこで冨士色素は、電解液にイオン液体系のものを。負極にアルミニウムを。そして空気極に非酸化物セラミック材料である窒化チタン・炭化チタンなどを用いることにより、空気極側に於いても副生成物の生成を抑制。

結果として、電池内部全体で副生成物の生成を抑制することができ、完全なる二次電池化への目途がつけることができた。

特に空気極において副生成物の生成を抑制したのは世界初となった。より具体的には、

負極に於いては、4Al2Cl7- + 3e- → Al + 7AlCl4
正極に於いては、4Al3+ + 3O2 + 8e → 2Al2O3

の反応が起こることが予想されるが、空気極に於いて窒化チタン、もしくは炭化チタンを用いることにより、この酸化アルミニウムの生成が抑制されることが観察された。

この原因は、まだ明確に解き明かされていないが、従来の炭素系の空気極を用いた時は炭素がカーボネート基として存在し、これが何らかの反応で酸化アルミニウムなどの副生成物になるのに対し、窒化物、炭化物を空気極に用いた時は、炭素がヒドロキシル基で存在し、これが副生成物の生成を抑制している可能性があるということが判っている。

実際にこのアルミニウム-空気電池を作成し充放電カーブを測定すると、400mAh/g以上の電池容量を安定的に示した(図1)。

図1.新型アルミニウム-空気電池の充放電カーブ

なおこの成果は、2017年6月にRoyal Society of Chemistry(英国王立化学会)の学術誌Sustainable Energy & FuelsにAdvance Articleとして掲載されている。
(タイトル:Suppression of byproduct accumulation in rechargeable aluminum-air batteries using nonoxide ceramic materials as air cathode materials, DOI: 10.1039/C7SE00087A)

今後の予定
冨士色素・代表取締役社長の森 良平博士が、今回開発した新型「アルミニウム-空気二次電池」を、既存の規格品の大きさであるCR2032のサイズにして、コインセルとして試作品検討などもしている(図2)。

2.新型アルミニウム-空気電池:コインセル試作品

冨士色素では、このように製品としての実用化、商品化を加速していく構え。ただ冨士色素株式会社は電池会社ではなく、化学会社であるため、今後は他企業、他研究機関との連携、協業も模索していく予定としている。

用語説明
◆アルミニウム-空気電池
空気アルミニウム電池は、あらゆる電池の中で最もエネルギー密度が高い方式の一つであり、実用化されている亜鉛空気電池を大きく上回る高体積エネルギー密度の電池である。

また資源的にも豊富で安価であり、環境面でも優れているため、早急な実用化が期待されている。

一方で寿命、起動時間、副産物の除去などの問題であまり広く使われておらず、主に軍用に限られている。

アルミニウム電池を載せた電気自動車は、鉛蓄電池に比べ同じ重量で1,015倍の走行可能距離を持たせることができる。

但しアルミニウム電池は一次電池、つまり充電できない形式であり、負極活物質であるアルミニウムは正極の酸素雰囲気下で反応して酸化アルミニウム(水酸化アルミニウム)として沈殿する。こうなると、電池はもはや電気を発生しないという問題点があった。

◆リチウムイオン電池
現行の電池の中で最も高い作動電圧(3-4V)を有し、コバルト酸リチウムに代表される遷移金属酸化物を正極、黒鉛系炭素材料を負極として、非水系電解液を構成材料とした電池である。

充電時に正極から負極へ、放電時に負極から正極へリチウムイオンが移動することにより電池として作動する。

1990年代初めに実用化され、電池体積あるいは質量当たりに取り出せるエネルギー(エネルギー密度)が他の電池系に比べ大きいことから、携帯電話、ノートPC等のモバイル機器の電源として必要不可欠なものとなっている。

◆空気極
燃料電池や金属-空気電池において、正極活物質である酸素の反応場となる電極である。

従来のリチウム-空気電池では貴金属や遷移金属酸化物等の触媒と電子伝導性を付与するための炭素材料、それらを金属集電体に固定化するためのバインダーで構成されている。

◆イオン液体
イオン液体とは新しい素材として注目されている新素材である。最近のイオン液体の定義とはイオンのみで構成された100℃以下で液体の塩とされている。

カチオンとアニオンの組み合わせで、無数の様々な物質、物性を作り出すことができるので、デザイナーソルベント、また水、有機溶剤に続く第三の液体ともいわれており、その蒸気圧の低さ、難燃性、導電性、安全性などの特徴をいかして帯電防止剤、電解液、反応溶媒、潤滑剤などとしての用途がある。

会社概要
商号: 冨士色素株式会社
代表者: 代表取締役社長 森 良平(工学博士)
所在地: 〒666-0015 兵庫県川西市小花2-23-2
設立: 1938年3月
事業内容: 赤色有機顔料、各種色材、各種機能性ナノサイズ微粒子分散体、各種電池用電極、固体電解質、酸化物ナノコロイド、 金属ナノコロイド、セルロースナノファイバー、量子ドット、機能性触媒材料、イオン液体、非酸化物セラミック、アルミニウム空気電池、金属有機構造体(MOF)、赤外線遮蔽剤、色素増感、ペロブスカイト型太陽電池用材料 など。

URL :