AZUL Energy、レアメタルフリー空気電池の大幅な高出力化に成功

　2023年4月27日、AZUL Energy（アジュールエナジー）は、次世代エネルギーデバイスとして期待される空気電池の大幅な高出力化に成功したことを発表した。

　東北大学材料科学高等研究所の藪浩教授および東北大学発スタートアップであるAZUL Energyからなる研究グループは、独自に開発した正極触媒と酸性・アルカリ性電解質をタンデムに配置したセルを用いることにより、開放電圧が2V以上で高い出力を有する亜鉛空気電池を実現できることを突き止めた。この成果は、電気自動車やドローンなどに金属空気電池を適用する際のボトルネックとなっていた電圧や出力不足の解決につながることが期待される。

　大容量化や高い安全性・低コストという面で期待されている空気電池は、リチウムイオン電池に代わる次世代エネルギーデバイスとして注目されている。しかし亜鉛空気電池は電圧が低く出力も小さいため、低出力で長時間駆動する補聴器などに用途が限られていた。

（図1）開発したAZUL触媒電極と酸性・アルカリ性電解質タンデム型亜鉛空気電池セルの模式図

研究の背景

　電気自動車（EV）やドローンなどの普及に伴い、大容量で高出力な電池が求められている。また、太陽光、風力などの自然エネルギーの備蓄や長期の停電にも対応できる大型のバックアップ用電源、系統電力の平準化など大型蓄電池の需要が増加している。
　大型蓄電池にもリチウムイオン電池が用いられるが、価格の高さや安全性の問題、リチウムやコバルトなどの資源問題から次世代の大容量エネルギーデバイスのニーズが高まってきている。

　空気電池は、正極では空気中の酸素を取り込み、負極には安価な亜鉛やアルミニウム、鉄などを用いる構成で、製造コストが低いという特徴がある。しかし亜鉛空気電池の電圧は1.4V程度であり、3.7Vのリチウムイオン電池に比べ駆動電圧や出力が低いため、用途が限られていた。

【図2】電池のエネルギー密度（容量）と出力密度の関係を示すラゴンプロット。

研究内容と成果

　これまで同研究グループでは、レアメタルフリーで高いORR（酸素還元反応）活性を示す白金代替の高機能触媒「AZUL」（図1左）の開発を報告している。この触媒は青色顔料の一種である鉄アザフタロシアニンを炭素上に分子吸着した電極触媒であり、アルカリ環境下でPt/C（白金-炭素）に匹敵する性能を示すことがわかっているという。

　今回研究グループは、まずAZUL触媒単体の活性評価を実施。触媒単体のORR活性を触媒回転頻度で比較したところ、AZUL触媒は約3～6倍 Pt/Cよりも重量活性が高いことが判明した。これは、同じ量の鉄アザフタロシアニンとPtを用いたとしても、AZULの場合鉄アザフタロシアニン分子1つが触媒活性点として機能するのに対し、Ptはナノ粒子化されており、表面に露出した原子しか反応に寄与できないためだと考えられるという。

　次に、AZUL触媒の亜鉛空気電池への適用性について検討を行った。AZUL触媒とPt/C触媒を正極のカーボンシートに塗布し、3Dプリンタを用いてアルカリ電解質を用いた亜鉛空気電池セルを作製して出力特性と放電特性を評価したところ、AZUL触媒を用いた亜鉛空気電池セルは1/2〜1/3の触媒量でPt/Cと同等の性能を示すことがわかった。この結果は正極触媒の高い重量活性を反映していると考えられる。

　さらに電解液室を2つにして、その界面をアニオン交換膜（AEM）で隔てることで、酸性・アルカリ性電解質をタンデムに配置したタンデム型セルを作製し、AZUL触媒正極、Pt/C正極を用いた亜鉛空気電池を作製した（図1右）。
　酸性電解質として3.5M塩酸を、アルカリ性電解質として6.0M水酸化カリウム水溶液を用いて出力特性と放電特性を評価したところ、AZUL触媒を用いたセルにおいて開放電圧最大2.25V、最大出力318mW/cm2、最大容量1,139 mWh/g（Zn）（Wh/kg（Zn)、負極の亜鉛重量あたりの容量）を達成した。

　今後、研究グループではセルのスタック化や大面積化などを通して、ドローンや電気自動車などの輸送デバイスに適用可能な空気電池の開発を進めていくとしている。

（図3）酸性・アルカリ性電解質タンデム型亜鉛空気電池セルの出力・放電特性

　同研究成果は、2023年4月24日（現地時間）に米国物理学会出版の新しい科学誌「APL Energy」創刊号に掲載され、同誌のFeatured Articleに選出されている。