主要成果
中国科学院（CAS）の福建物質構造研究所（FJIRSM）のWen Zhenhai博士およびHuang Junheng博士率いる研究チームが、亜鉛空気電池の効率と耐久性を大幅に向上させるフッ素化グラフェン電極触媒「FG-3」を開発しました。ラボテストにおいて、この電池は98%という極めて高い往復効率（round-trip efficiency）を達成し、外気条件下で820時間以上にわたって安定して動作することが確認されました。さらに、約1,500回の充放電サイクル後においても、97.6%の効率を維持するという優れた耐久性を示しています。
技術・詳細
開発された触媒「FG-3」は、3.1%のフッ素を含むグラフェンで構成されています。研究チームは、制御された加熱プロセスを用いて材料からフッ素を段階的に除去し、電気伝導性を持つカーボン構造を復元させる手法を採用しました。このプロセスを通じて複数のグラフェンサンプルを作成し、その中でFG-3が最も効率的な導電性と化学反応の加速を実現することが判明しました。
FG-3の性能を支える要因として、以下の点が挙げられています。
- 広い表面積と均一に分布したフッ素。
- 電解質との相互作用の改善。
- フッ素-炭素結合による近接炭素原子の電気的特性の変化。
性能評価では、過酸化水素選択率97.4%、ファラデー効率98%を記録しました。また、この触媒を用いた非充電式亜鉛空気電池では、569mW cm-2のピーク電力密度を達成しています。
背景・業界の文脈
亜鉛空気電池（ZABs）は、亜鉛金属（負極）と周囲の空気中の酸素（正極）を用いて発電するシステムです。リチウムイオン電池と比較してエネルギー貯蔵量が多く、亜鉛が豊富で安価であり、エネルギー密度が高いことから、有望な代替手段と見なされてきました。しかし、充放電時に発生する複雑な化学反応に多大なエネルギーを要するため、材料の摩耗が早く、実用的な再充電がほぼ不可能であるという大きな課題がありました。
今後の展望
本研究では、従来の課題を解決するため、より高速で可逆性の高い「酸素と過酸化水素の2電子反応（2e- O2-H2O2相互変換経路）」に着目しました。研究チームは、金属に依存せずにカーボン触媒を製造する新しい戦略を提示したとしており、この高度に可逆的な相互変換を可能にする触媒が、亜鉛ベースの電池において卓越した性能をもたらすと結論付けています。これらの知見は、より効率的な次世代エネルギー貯蔵システムの構築につながると期待されており、本研究成果は学術誌『Angewandte Chemie International Edition』に掲載されました。
元記事: https://interestingengineering.com/energy/zinc-air-battery-hits-98-efficiency-820-hour-lifespan
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