次 世 代 電 池 のプロトタイプが 完 成 ~ 脱 希 少 元 素 を 実 現 へ~ 1. 発 表 者 山 田 淳 夫 ( 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 教 授 ) 大 久 保 將 史 ( 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 准 教 授 ) 王 憲 芬 ( 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 特 任 研 究 員 ) 梶 山 智 司 ( 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 特 任 研 究 員 ) 飯 沼 広 基 ( 東 京 大 学 工 学 部 化 学 システム 工 学 科 学 部 生 ) 森 口 勇 ( 長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 教 授 ) 小 路 慎 二 ( 長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 大 学 院 生 ) 2. 発 表 のポイント リチウムなどの 希 少 元 素 を 使 用 しない 次 世 代 電 池 の 候 補 であるナトリウムイオン 電 池 ( 注 1)のマイナス 極 を 開 発 した 急 速 充 電 急 速 放 電 が 可 能 なマイナス 極 の 実 現 により 既 知 のプラス 極 と 組 み 合 わせ たナトリウムイオン 電 池 のプロトタイプを 完 成 した 本 プロトタイプの 完 成 により 電 気 自 動 車 などの 大 型 機 器 への 汎 用 性 を 備 えた 低 コス ト 電 池 の 実 現 が 可 能 となり 電 池 分 野 における 特 定 国 への 資 源 依 存 を 解 消 できる 3. 発 表 概 要 現 在 広 く 普 及 しているリチウムイオン 電 池 ( 注 2)は 希 少 元 素 であるリチウムやコバ ルトを 使 用 しており さらなる 低 コスト 化 特 定 資 源 産 出 国 への 依 存 脱 却 のために リ チウムをナトリウムに 置 換 したナトリウムイオン 電 池 の 実 現 が 急 がれている ナトリウムイオン 電 池 を 実 現 するためには ナトリウムイオンを 吸 蔵 放 出 する 化 合 物 の 対 (プラス 極 とマイナス 極 ( 注 3))が 必 要 であり 特 に 高 性 能 なマイナス 極 の 開 発 により ナトリウムイオン 電 池 をシステムとして 完 成 することが 求 められていた 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 の 山 田 淳 夫 教 授 大 久 保 將 史 准 教 授 のグループは 長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 の 森 口 勇 教 授 らとの 共 同 研 究 により チタ ンと 炭 素 から 構 成 されるシート 状 の 化 合 物 が 多 量 のナトリウムイオンを 吸 蔵 放 出 する ことを 発 見 した( 図 1) この 化 合 物 をマイナス 極 として 既 知 のプラス 極 と 組 み 合 わ せたナトリウムイオン 電 池 のプロトタイプを 作 製 したところ 急 速 充 電 長 時 間 の 電 流 供 給 充 放 電 を 繰 り 返 しても 劣 化 しない 安 定 性 などの 次 世 代 電 池 に 必 要 な 性 能 を 満 た すことを 確 認 した( 図 2) なお 本 研 究 成 果 の 一 部 は 文 部 科 学 省 元 素 戦 略 プロジェクト< 研 究 拠 点 形 成 型 > 京 都 大 学 触 媒 電 池 元 素 戦 略 研 究 拠 点 ユニット ( 研 究 代 表 者 : 田 中 康 裕 京 都 大 学 大
学 院 工 学 研 究 科 教 授 )による 支 援 を 受 けて 行 われた 4. 発 表 内 容 1 発 表 の 背 景 先 行 研 究 における 問 題 点 ノートパソコンやスマートホンなどの 小 型 携 帯 機 器 に 使 用 されているリチウムイオ ン 電 池 は 近 年 の 脱 原 発 や 省 エネルギー 化 への 社 会 的 要 請 から 更 なる 低 コスト 化 によ り 電 気 自 動 車 などの 普 及 を 後 押 しすることが 求 められている しかし リチウムイオ ン 電 池 は 希 少 元 素 であるリチウムやコバルトを 使 用 しており 本 質 的 に 大 幅 な 低 コスト 化 は 難 しい また 特 定 の 希 少 元 素 産 出 国 に 依 存 するため 需 給 バランスに 関 して 国 家 間 の 紛 争 等 によるリスクが 大 きい そこで 希 少 なリチウムを 使 用 しないナトリウムイ オン 電 池 の 開 発 が 盛 んに 行 われている ナトリウムイオン 電 池 を 実 現 するためには 電 流 を 流 すために 化 合 物 の 対 (プラス 極 マイナス 極 )が 必 要 となり それぞれ 共 にナトリウムイオンを 可 逆 的 に 吸 蔵 放 出 する 特 性 が 求 められる プラス 極 については これまでの 研 究 からナトリウムイオンを 可 逆 的 に 吸 蔵 放 出 できる 化 合 物 が 多 数 報 告 されている 一 方 マイナス 極 については 急 速 充 電 長 時 間 の 電 流 供 給 充 放 電 の 繰 り 返 しに 対 する 安 定 性 などの 条 件 を 満 たす 化 合 物 が 見 つかっておらず ナトリウムイオン 電 池 のプロトタイプを 作 製 するための 障 害 と なっていた 2 研 究 内 容 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 の 山 田 淳 夫 教 授 大 久 保 將 史 准 教 授 長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 の 森 口 勇 教 授 らのグループは ナトリウムイオン 電 池 を システムとして 完 成 させるための 鍵 となるマイナス 極 を 開 発 した 具 体 的 には 東 京 大 学 と 長 崎 大 学 が 共 同 で 合 成 したチタンと 炭 素 から 構 成 されるシート 状 の 化 合 物 を 東 京 大 学 においてナトリウムイオン 電 池 のマイナス 極 として 応 用 した このシート 状 の 化 合 物 は 多 量 のナトリウムイオンを 吸 蔵 放 出 する 特 性 を 示 し( 図 1) ナトリウムイオン 電 池 の 長 時 間 の 電 流 供 給 を 可 能 とするマイナス 極 であることが 分 かった また シート 構 造 を 反 映 して 高 速 でのナトリウムイオン 吸 蔵 放 出 も 可 能 であり 急 速 充 電 にも 対 応 可 能 であった さらに ナトリウムイオン 吸 蔵 放 出 を 繰 り 返 しても 特 性 が 劣 化 するこ とはなく 長 期 間 安 定 に 作 動 することも 分 かった 今 回 発 見 したマイナス 極 を これまでに 当 グループが 発 見 した 安 価 な 鉄 と 硫 黄 で 構 成 されるプラス 極 (http://www.t.u-tokyo.ac.jp/epage/release/2014/2014071801.html)と 組 み 合 わせることで ナトリウムイオン 電 池 のプロトタイプが 完 成 した 作 製 したプロトタイ プは 長 時 間 の 電 流 供 給 が 可 能 であり 充 電 放 電 を 繰 り 返 すことによる 劣 化 もなく さらに 急 速 な 充 電 や 放 電 にも 対 応 可 能 であった( 図 2)
3 社 会 的 意 義 今 後 の 予 定 本 研 究 の 成 果 により ナトリウムイオン 電 池 を 実 現 するためのボトルネックとなって いたマイナス 極 の 課 題 が 解 決 され ナトリウムイオン 電 池 のプロトタイプを 完 成 するこ とができた このプロトタイプはナトリウム 鉄 硫 黄 酸 素 チタン 炭 素 などの 汎 用 元 素 のみで 構 成 され 全 く 希 少 元 素 を 使 用 する 必 要 がない 今 後 は 本 研 究 で 示 されたプロトタイプを 軸 とした 低 コストな 電 池 の 実 用 化 が 加 速 し 小 型 の 携 帯 機 器 から 大 型 の 電 気 自 動 車 まで 幅 広 い 用 途 への 展 開 だけではなく ナトリウ ムイオン 電 池 が 普 及 することで 電 池 分 野 において 特 定 の 希 少 元 素 産 出 国 への 依 存 から 脱 却 できると 期 待 される なお 本 研 究 成 果 の 一 部 は 文 部 科 学 省 元 素 戦 略 プロジェクト< 研 究 拠 点 形 成 型 > 京 都 大 学 触 媒 電 池 元 素 戦 略 研 究 拠 点 ユニット ( 研 究 代 表 者 : 田 中 康 裕 京 都 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 教 授 )による 支 援 を 受 けて 行 われた 5. 発 表 雑 誌 雑 誌 名 :Nature Communications 論 文 タイトル:Pseudocapacitance of MXene Nanosheets for High-Power Sodium-Ion Hybrid Capacitors 著 者 : Xianfen Wang, Satoshi Kajiyama, Hiroki Iinuma, Eiji Hosono, Shinji Oro, Isamu Moriguchi, Masashi Okubo, Atsuo Yamada DOI:10.1038/ncomms7544 6. 問 い 合 わせ 先 山 田 淳 夫 (やまだ あつお) 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 教 授 大 久 保 將 史 (おおくぼ まさし) 東 京 大 学 大 学 院 工 学 系 研 究 科 化 学 システム 工 学 専 攻 准 教 授 森 口 勇 長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 物 質 科 学 部 門 教 授
7. 用 語 解 説 ( 注 1)ナトリウムイオン 電 池 広 く 実 用 化 されているリチウムイオン 電 池 のリチウムをナトリウムに 置 き 換 えた 電 池 ( 注 2)リチウムイオン 電 池 繰 り 返 し 充 電 して 使 用 できる 電 池 の 一 種 他 の 電 池 と 比 較 して 電 圧 が 高 く 充 電 でき るエネルギーが 重 量 サイズに 比 して 大 きいため 携 帯 機 器 を 中 心 に 広 く 普 及 している しかし リチウムやコバルト 等 の 希 少 元 素 を 使 用 しているため 電 気 自 動 車 や 電 力 貯 蔵 を 含 めたさらなる 大 規 模 な 普 及 は 難 しく 代 替 技 術 の 開 発 が 望 まれている ( 注 3)プラス 極 とマイナス 極 電 池 を 充 電 する 時 プラス 極 は 電 子 とプラスイオン(リチウムイオンやナトリウムイ オン)を 放 出 する 一 方 マイナス 極 は 電 子 とプラスイオンを 吸 蔵 する 電 池 を 放 電 する 際 は 逆 にプラス 極 は 電 子 とプラスイオンを 吸 蔵 し マイナス 極 は 電 子 とプラスイオン を 放 出 する したがって プラス 極 とマイナス 極 は 電 子 とプラスイオンを 吸 蔵 放 出 する 性 質 が 求 められる
8. 添 付 資 料 図 1.ナトリウムイオン 電 池 のマイナス 極 のイメージ チタン( 赤 )と 炭 素 ( 灰 色 )から 成 るシート 状 物 質 がナトリウムイオン( 黄 色 )を 吸 蔵 放 出 する 図 2. 今 回 完 成 したナトリウムイオン 電 池 のプロトタイプ プラス 極 ( 水 色 )とマイナス 極 ( 赤 色 )の 両 方 が 揃 うことで 初 めて ナトリウムイオ ン 電 池 のプロトタイプを 完 成 した