京大等開發出高能量密度Mg二次電池，安全性高成本低

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京都大學研究生院人類及環境學研究科教授內本喜晴、助教折笠有基、研究生院工學研究科教授陰山洋及白眉中心特聘助教Cedric Tassel等的研究小組，與日本高亮度光科學研究中心開發出了可取代已有Li（鋰）離子二次電池的高能量密度Mg（鎂）金屬二次電池。該電池以礦儲量大的Mg、Fe（鐵）、Si（硅）為主要元素，可降低成本。另外，此次研究還通過使用大型放射光設施“SPring-8”的高亮度放射光，明確了充放電反應的原理。

圖：已實用化的二次電池與此次開發的Mg二次電池的容量、密度和電壓的關系。越靠右上，能量密度越高。

在取代Li離子二次電池的新一代二次電池方面，高能量密度電池的開發頗為活躍。其中，以多價離子為載流子的多價離子二次電池有望實用化。特別是以2價陽離子的Mg離子為載流子的Mg二次電池，是尤為看好的候選對象。Mg金屬由於理論容量密度高且氧化還原電位較低，因此負極使用Mg的二次電池可預期實現高能量密度。而且，Mg的礦儲量也很大，可降低成本。此外，Mg的熔點約為650℃，與熔點為180℃的Li、熔點為98℃的Na（鈉）等相比，還可提高使用安全性。

不過，以往的Mg二次電池的實用化還存在諸多課題。Mg離子為2價陽離子，離子半徑與Li離子相同。因此，電荷密度會升高，與正極材料的陰離子之間會產生更強的靜電引力，同時與正極材料的陽離子之間會產生斥力，從而使Mg離子的擴散受阻。而且，2價陽離子的Mg離子在嵌入時，還需要周圍的過渡金屬元素產生2個電子量級的價數變化。因此，Mg的嵌脫反應速度比Li慢，幾乎沒有能夠使用的正極材料。另外，可使用Mg金屬負極的電解液主要為格氏試劑，溶劑使用四氫?喃，抗氧化穩定性低，並且還有空氣中的穩定性及腐蝕性問題，存在安全隱患。Mg二次電池要想實用化，必須要從正極材料及電解質材料兩方 面取得突破。

京都大學的研究人員在正極材料使用通過Si-O結合使結晶構造穩定化的陰離子聚合物。通過以電氣化學處理手段精密控制結晶構造，保証了Mg離子的擴散，作為循環特性高的正極材料選擇了MgFeSiO4。從充放電曲線來看，容量密度與已有Li離子電池正極的160mAh/g相比達到了2倍。電解質組合使用雙三氟甲基硫?亞胺鎂（Mg(TFSI）2）和三甘醇二甲醚（Triglyme），能夠與Mg金屬負極組合，氧化穩定性高。

此次組合使用所開發的正極和電解質，試制了二次電池。與已有的Mg二次電池相比，理論能量密度約提高6倍（圖）。而且，還具有不使用化學上不穩定的格氏試劑及有腐蝕性的鹵素離子等優點。（作者：?田 基彥，日經技術在線！供稿）