材料科学：持続可能な亜鉛イオン電池のための新たな電解質の設計
Nature Sustainability
Materials science: New design for sustainable zinc batteries
水系亜鉛イオン電池の性能と製造コストを改善できる新たな電解質の設計について報告する論文が、Nature Sustainability に掲載される。こうした知見は、安全性、性能、持続可能性を併せ持つ実用的な亜鉛イオン電池を開発できる可能性を示唆しており、携帯用電子機器や電気自動車に使われている従来のリチウムイオン電池の代替となる可能性を浮き彫りにしている。
亜鉛は、リチウムより安全で、費用対効果と環境適合性が高いため、携帯用電子機器や電気自動車向けに、リチウムイオン電池のより持続可能な代替として水系亜鉛イオン電池を使用することへの関心が高まっている。しかし、亜鉛イオン電池における水性の電解質（イオンを伝導する電池内の液体）の使用には、困難な課題がある。こうした課題には、亜鉛の不規則な析出、水素ガスの生成、電極の腐食が含まれ、それら全てが急速な性能低下につながり得る。
今回、Quan-Hong Yangたちは、水和した亜鉛塩からなる新種の電解質の設計について報告している。この電解質では、内在する少量の水が、水系亜鉛イオン電池に伴う安全性の問題や技術的課題に対処するだけでなく、不燃性になるのにも重要な役割を果たしている。また、Yangたちは、亜鉛イオン電池に通常使われている電解質と比べて、今回の電解質にコスト競争力があることを詳しく述べている。さらに、今回実証された電池は、室温だけでなく−30～40℃の温度範囲で優れた性能を示す。
関連するNews and Viewsでは、Florencio SantosとAntonio Fernández Romeroが、性能をさらに最適化するべきだが、今回の研究は「安価で環境に優しい電解質を使って、亜鉛イオン電池のいくつかの重要な課題に取り組んだ」と強調し、「今回の成果に基づいて開発を進めれば、信頼性のある手頃な価格の電池を作り、実装して、持続可能な未来への移行を助けることができる」と結論付けている。
A new design that can improve the performance and cost of producing aqueous zinc-ion batteries is presented in Nature Sustainability. These findings suggest the feasibility of developing practical zinc-ion batteries that combine safety, performance and sustainability, highlighting their potential as replacements for traditional lithium-ion batteries used inportable electronics and electric vehicles.
Interest in the use of aqueous zinc-ion batteries as a more sustainable alternative to lithium-ion batteries for portable electronics and electric vehicles has risen, because zinc is safer, more cost-effective and environmentally compatible than lithium. However, challenges exist with regard to the use of aqueous electrolytes — the liquid within a battery that conducts ions — in zinc-ion batteries. These include the risk of irregular zinc deposition, hydrogen gas production and electrode corrosion, all of which can lead to fast performance degradation.
Quan-Hong Yang and colleagues report the design of a new type of electrolyte composed of a hydrated zinc salt, in which the intrinsic, small amount of water plays a critical role in addressing safety and technical issues associated with aqueous zinc-ion batteries, while also being non-flammable. The authors additionally detail the cost competitive nature of their electrolyte design compared with electrolytes that are normally used in zinc-ion batteries. Furthermore, the battery demonstrated here shows excellent performance not only at room temperature but also within a temperature range from −30 to 40 oC.
In an associated News & Views article, Florencio Santos and Antonio Fernández Romero emphasize that although performance should be further optimized, this work has “tackled several critical issues of zinc batteries by using a cheap and environmentally friendly electrolyte.” They go on to conclude that “building on the contribution here, it is possible to produce and implement reliable and affordable batteries to aid the transition to a sustainable future.”
doi: 10.1038/s41893-021-00800-9
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