リチウム空気電池が電気自動車の理想に一歩近づく
アラン・ボイル著
10年後には、今日発表されたリチウム空気電池技術の進歩のおかげで、低価格の電気自動車を何百マイルも充電なしで走らせることができるようになるかもしれません。あるいは、リチウム空気電池に関する新たな革新が生まれるかもしれません。あるいは、ナトリウム空気電池やナトリウムリチウム電池といった、異なる化学的性質を持つ電池が登場するかもしれません。
「将来のバッテリーには、こうしたさまざまな技術が数多く組み込まれることになるだろう」とケンブリッジ大学の化学者クレア・グレイ氏はGeekWireに語った。
グレイ氏は、バッテリーの理想形への道を阻んできた障害の一部を取り除く可能性を秘めた、技術的な工夫を凝らした研究論文の筆頭著者です。今週号のサイエンス誌の表紙を飾ったこの研究は、電極のナノ構造を変化させ、化学組成を変化させることで、リチウム酸素電池の効率と安定性を向上させることができることを示しています。
「この化学反応に固有の問題をすべて解決したわけではないが、私たちの研究結果は実用的なデバイスへの道筋を示している」とグレイ氏はニュースリリースで述べた。
これらの問題が解決されれば、リチウム酸素電池は、内部に酸化剤を蓄える必要がなく、空気中の酸素を利用できるため、現在のリチウムイオン電池よりも性能が優れているだろう。
このような電池は、当初は小規模な用途、例えば補聴器や、充電なしで数日間も使えるスマートフォンなどに利用される可能性があります。しかし、大きな成果は、太陽光発電や風力発電で発電した電力を24時間365日利用できる電力網規模の蓄電池や、理論上は現在の5倍の距離を走行できる電気自動車といった形でもたらされるでしょう。
「たとえ2倍か3倍にさえできれば、それは運輸業界にとって大きな数字だ」とグレイ氏は語った。
サイエンス誌に掲載された論文で、グレイ氏らは、原子厚さのグラフェンシートから高多孔質電極を構築し、ヨウ化リチウムと水を含む混合液を加えた方法を説明しています。この電池の化学的性質により、通常の過酸化リチウムではなく水酸化リチウムの結晶が生成されます。その結果、エネルギー効率はリチウム酸素電池の標準的な70%から93%に向上しました。また、この電池は故障することなく2,000回以上充電することができました。
このような性能を商用電池に応用できれば、リチウム空気電池はリチウムイオン電池と同様に機能し、大幅に高い蓄電容量を実現できるだろう。「私たちはまさに、かつてないチャンスを手にしているのです」とグレイ氏は述べた。
このバッテリーの奇妙な点の一つは、研究者たちが化学反応の背後にあるメカニズムを完全に理解していないことです。グレイ氏は、ヨウ化リチウムには腐食を抑制する「不動態化」効果がある可能性があると述べています。「これは私たちが引き続き研究を進めているテーマです」と彼女は述べました。
グレイ氏によると、この技術は大学の商業化部門であるケンブリッジ・エンタープライズによって特許取得済みだが、バッテリーの安全性など、依然として克服すべき課題がいくつかあると強調した。「私たちは複数の企業と協力して、いくつかの実用的な問題に対処できるかどうかを検討しています」と彼女は述べた。
ケンブリッジ大学の実験は、決してより優れたバッテリーへの唯一の可能性を秘めた道筋ではありません。テスラをはじめとする電気自動車ベンチャーのおかげでリチウムイオンバッテリーが急速に普及しつつある現在でも、バッテリー化学は現在、イノベーションにおけるホットな話題となっています。
ちょうど本日、バークレー研究所の研究者たちは、リチウムおよびマンガンを豊富に含む遷移金属酸化物の作用に関する新たな情報を発表しました。彼らはこれを「潜在的に革新的な電池材料」と呼んでいます。他の研究チームは、シリコンベース、硫黄ベース、リチウム硫黄、アルミニウム空気、ナトリウム空気といった電池の可能性を研究しています。
「ナトリウムは安価な用途で使われるようになるかもしれません」とグレイ氏は述べた。「そして、リチウム空気電池やリチウム硫黄電池は、エネルギー密度は必要だが、それほど高いレートは必要としない用途で使われるようになるかもしれません。それが私の将来です。私の将来は多岐にわたり、様々なバッテリー技術が求められます。」
ケンブリッジ大学のタオ・リウ氏は、サイエンス誌掲載論文「LiOHの形成と分解によるLi-O2電池のサイクリング」の筆頭著者です。リウ氏とグレイ氏に加え、ミハル・レスケス氏、ワンジン・ユー氏、エイミー・ムーア氏、リナ・ゾウ氏、ポール・ベイリー氏、グンウー・キム氏も共著者です。
