KAIST、陽子を活用した次世代デバイスを開発

電池の「邪魔者」と見なされていた陽子が、むしろエネルギー貯蔵のカギとなった。KAIST化学科のパク・ソナ教授の研究チームは、2次元導電性金属有機構造体（MOF）を活用して、亜鉛イオンと陽子を順次的に貯蔵する電極素材を開発したと19日明らかにした。今回の研究は、水ベースの電解質を使用する水系亜鉛イオン電池の貯蔵容量と充放電性能を同時に高めるアプローチを提示した。

水系亜鉛イオン電池は、水ベースの電解質を使用するため、火災の危険性が低く、価格が安価であり、環境への負荷も少ないため、大規模エネルギー貯蔵装置（ESS）用の次世代電池として注目されている。しかし、亜鉛イオンは電荷が大きいため、電極内部で速やかに移動することが難しいという弱点があった。一方、サイズが小さく速やかに移動する陽子は、過度に反応すると副生成物を生成し、亜鉛イオンの移動を妨げていた。このため、既存の研究は陽子の反応を抑制することに焦点を当ててきた。

研究チームはこのようなアプローチを覆した。陽子を遮断するのではなく、亜鉛イオンと陽子の貯蔵順序を調節し、両方のイオンをエネルギー貯蔵に活用したのである。電極の微細な穴の中に陽子を捕獲するアミン官能基を導入し、特定の電圧で陽子が貯蔵されるように設計した。その結果、電圧が高い領域では亜鉛イオンが先に貯蔵され、電圧が低下すると陽子が追加的に貯蔵される構造が実現された。大きな亜鉛イオンを先に貯蔵し、残った空間を小さな陽子で埋めることで、電極の貯蔵効率を高めた。特に、陽子が先に反応して生じる副生成物を減らし、両イオンの貯蔵過程が互いに妨げないようにした点が鍵となる。研究チームは、様々なX線分析を通じて、亜鉛イオンが先に貯蔵され陽子が後から貯蔵される過程と、陽子の貯蔵・放出が繰り返し可能であることも確認した。

性能も実証された。研究チームが開発した電極素材「Cu₃(HHTATP)₂」は、0.5 A g⁻¹の条件で368.7 mAh g⁻¹の高い貯蔵容量を記録した。充放電速度を16倍に高めた条件でも、初期貯蔵容量の46.9%を維持し、500回以上の高速充放電を繰り返した後も安定した性能を示した。

今回の研究成果は、先月7日付の国際学術誌『Chem』に掲載された。本研究は、多孔性電極において高い貯蔵容量と速やかなイオン移動を同時に実現することが困難だった限界を克服し、分子レベルの設計によって異なるイオンの貯蔵順序まで制御できることを示した。

パク・ソナKAIST化学科教授は「既存には電池性能を低下させる『邪魔者』と見なされていた陽子を、むしろエネルギーをより多く貯蔵するために活用できることを示した」と述べ、「今回の原理を様々な電極素材に適用し、より多くのエネルギーを速やかに貯蔵できる電池を開発できると期待される」と語った。