東京理科大学の駒場真一教授らの研究チームは、低コストな次世代電池として注目される「ナトリウムイオン電池」において、正極材料の劣化を劇的に抑えるメカニズムを解明しました。
1. 解決すべき課題：ヤーン・テラー歪み
ナトリウムイオン電池の有力な正極材料である「層状マンガン酸ナトリウム（Na2/3MnO2）」には、以下の欠点がありました。
- 構造的劣化: 充放電中にマンガンの酸化状態が変化することで、結晶格子が歪む「ヤーン・テラー歪み（Jahn-Teller distortion）」が発生。
- 容量低下: この歪みが繰り返されることで結晶構造が崩れ、急速に電池容量が失われる。
2. 新たな手法：スカンジウム（Sc）のドーピング
研究チームは、マンガンの一部を少量のスカンジウム（Sc）で置き換える（置換する）手法を考案しました。
- 選択的安定化: スカンジウム添加は、特に歪みが発生しやすい P’2型 と呼ばれる結晶構造の安定性を選択的に向上させました。
- メカニズム: スカンジウムが格子を補強することで、マンガンの活性を妨げずに、構造全体の崩壊を抑制します。
- 副次的なメリット: 結晶の粒子サイズを微細化し、電解液との不要な副反応を抑える「安定した界面（CEI）」を形成。耐湿性も向上しました。
3. 実験結果と性能
- 最適組成: スカンジウム含有量 8% の材料が最高のパフォーマンスを記録。
- 耐久性: フルセル試験において、300サイクル後も約60% の容量を維持（未添加のものより大幅に向上）。
- 特異性: 他の元素（アルミニウムやイッテルビウムなど）では同様の効果は得られず、スカンジウム特有の性質であることが判明しました。
関連補足：ナトリウムイオン電池（NIB）を取り巻く背景
この研究がなぜ重要なのか、業界の動向を交えて解説します。
リチウムイオン電池との違い
- 資源の豊富さ: リチウムは産出地が偏り価格も高騰していますが、ナトリウム（塩の主成分）は地球上にほぼ無限に存在します。
- 低コスト: 材料費を大幅に抑えられるため、安価な小型EVや定置用蓄電池（家庭・工場用）としての普及が期待されています。
今後の展望と課題
- スカンジウムのコスト: 論文著者も指摘している通り、スカンジウムは希少金属（レアアースの一種）であり、リチウムに代わる低コスト化を追求するNIBにおいて、その価格が大規模導入のハードルになる可能性があります。
- 商用化への道: 今後は、スカンジウムと同等の安定化効果を持つ、より安価な代替元素の探索や、今回の知見を活かした構造設計が加速すると見られます。
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