中国科学技術大学（中国科大）化学・材料科学学院の陳維教授の研究チームはこのほど、電池研究分野で2つの成果を連発した。

そのうちの1つは、水素ガス電極を正極とする電池化学の新しいシステムを初めて報告し、水素ガス正極に基づく高性能電池を設計するための新しい道を提供した。この研究は、国際ジャーナル「ドイツ応用化学」（Angew.Chem.Int.Ed）に掲載され、「Rechargeable lithium-hydrogen gas batteries」と題されている。

 

中国科学技術大学

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/90557.htm

 

研究チームによると、水素(H2)は最も将来性があり、経済的かつ効率的な再生可能資源の一つであり、その適切な酸化還元電位、低過電位、長期安定性により、高活性電気触媒と結合すると、非常に魅力的な電池電極材料になることができる。

 

 

実際、充電可能なニッケル水素（Ni-H）電池化学は、1960年代以来、高い安定性、信頼性、耐久性のため、NASAによって30年以上航空宇宙分野に成功して応用されている。

 

研究チームは近年、水素電池に焦点を当て、先進的なニッケル-水素電池、ハロゲン-水素電池、陽子-水素電池、炭素-水素電池など、異なるタイプの水素電池システムを創製し、大規模なエネルギー貯蔵において大きな潜在力を示している。

 

これらのシステムはいずれも負極として水素ガス電極を用いている。この最新の研究成果の中で、研究チームは、水素ガスの優れた酸化還元特性により、負極としてだけでなく、非常に潜在力のある正極として、低電位負極とペアリングすることができると提案した。水素正極に基づく電池は、アルカリ金属負極と組み合わせた場合、より高いエネルギー密度と動作電圧を示すことができる。このうち、リチウム金属負極は、高電圧と高エネルギー密度の水素電池応用において大きな潜在力を持っている。

 

最新の成果では、最も軽い2つの元素であるLiとHを利用した充電可能なリチウム金属水素（Li-H）電池が初めて報告された。研究によると、H2正極の優れた特性により、同電池は2825Wh kg-1の理論比エネルギー、3Vの放電電圧、99.7%のサイクルエネルギー効率、5-20mAh cm-2の可逆面容量、-20℃から80℃の広い動作温度領域、活物質の高い利用率を含む非常に魅力的な電気化学性能を示した。

 

また、研究チームはさらに負極なしLi-H電池を構築し、最初の充電時に低コストのリチウム塩からリチウム金属を堆積して負極を生成し、電池の実際のエネルギー密度と経済適用性をさらに向上させた。

 

「Electrochemical lithium recycling from spent batteries with electricity generation」と題した研究成果が最近、国際ジャーナル「ネイチャー・サステナビリティ」（Nature Sustainability）に掲載された。使用済みリチウムイオン電池正極材料中のリチウム資源の回収と工業排ガス中の窒素酸化物汚染物質の捕捉と転化を同時に実現できる電気化学原理に基づくグリーンで持続可能な廃棄物回収管理戦略を初めて提案した。

 

研究チームはエネルギー消費のない回収方法を巧みに設計し、排ガス中の二酸化窒素の電気化学的還元電位と使用済み電池正極材料の電気化学的酸化電位差を利用し、使用済み電池正極材料中のリチウム資源の回収に成功しただけでなく、二酸化窒素を高価値の硝酸リチウム塩に変換した。

 

同時に、このプロセスは大量のエネルギー出力を実現し、リチウム回収と汚染物質管理に高効率、環境に優しく、経済価値のある全く新しいソリューションを提供した。

 

具体的には、リチウムイオンは使用済みリチウム電池の正極材料から自発的に電解液中に脱出し、他方の二酸化窒素は亜硝酸根に還元され、両者が結合して形成された亜硝酸リチウムは直接の電気化学反応生成物であり、同時に約0.4Vの出力電圧を発生する。電気化学反応の生成物である亜硝酸リチウムは、空気中の酸素によってさらに酸化され、より安定した硝酸リチウム生成物になる。

 

研究チームはまた、上述のリサイクル戦略と従来のリサイクル戦略の経済と環境保護などの面での長所と短所を分析した。電池回収プロセスにおける各主要な回収ステップのエネルギー消費量、二酸化炭素排出量及びコスト収益に対して系統的な計算を行った結果、彼らが提案した回収プロセスはエネルギー消費量と二酸化炭素排出量の面で現在の主流の回収戦略よりはるかに低く、この戦略がグリーンで持続可能な経済において絶対的なリード優位性を持っていることを示した。コスト収益計算結果を分析すると、この戦略は他の4つの伝統的な回収戦略よりも優れていることが明らかになった。

 

(趙　嘉瑋）

 

 

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