安全安価なアクア電池を長寿命化
大久保 將史 教授（早稲田大学理工学術院：計画A02）
【概要】
早稲田大学研究院の川合航右（かわいこうすけ） 次席研究員、同大先進理工学研究科修士課程の五十嵐優太、同大理工学術院の大久保將史（おおくぼまさし） 教授らの研究グループは、 軟な骨格構造を有する遷移金属酸化物（※１）を電極材料として用いることで、水系プロトン二次電池（アクア電池）の高効率化・長寿命化を実証しました（図1）。 アクア電池は、地球上に豊富に存在する水素イオン（プロトン）および水により作動するため、安全・安価な蓄電デバイスとして有望です。近年では、分解に強い水系電解質の研究が盛んに行われていますが、 電極材料が劣化する課題は未解決でした。本研究では、体積変化が極めて小さい電極材料を用いることで耐久性を飛躍的に高め、高効率かつ長寿命なアクア電池を実現しました。
本研究成果は、2024年10月25日（金）に『Angewandte Chemie International Edition』のオンライン版で公開されました。
Abstract
Managing safety and supply-chain risks associated with lithium-ion batteries (LIBs) is an urgent task for sustainable development. Aqueous proton batteries are attractive alternatives to LIBs because using water and protons addresses these two risks. However, most host materials undergo large volume changes upon H+ intercalation, which induces intraparticle cracking to accelerates parasitic reactions. Herein, we report that Mo3Nb2O14 bronze exhibits reversible H+ intercalation (200 mAh g−1) with a Coulombic efficiency of 99.7 % owing to near-zero volume change and solid-solution-type phase transition. Combination of experimental and theoretical analyses clarifies that rotation and shrinkage of open tunnels, which consist of flexible corner-sharing Mo/NbOn polyhedra, relieve local structural distortions upon H+ intercalation to suppress intraparticle cracking. The prototype full cell of an aqueous proton battery with a Mo3Nb2O14 anode operates stably over 1000 charge/discharge cycles. This study reveals the importance of implementing distortion-relieving voids in host materials to reduce volume change upon charge/discharge.
K. Kawai, S.-H. Jang, Y. Igarashi, K. Yazawa, K. Gotoh, J. Kikkawa, A. Yamada, Y. Tateyama, *M. Okubo, Angew. Chem. Int. Ed. e202410971_1-8(2024) "Proton Intercalation into an Open-Tunnel Bronze Phase with Near-Zero Volume Change"
DOI: 10.1021/acscentsci.4c00578