私たちの多くは、携帯電子機器に電力を供給するリチウムイオン電池を使わずに一日を過ごすのは難しいでしょう。電気自動車（EV）や、 電力網向けのエネルギー貯蔵 が間近に迫るなか、その未来はかなり明るそうです。
あまりに明るい見通しに、カリフォルニアを拠点とする新興企業の象徴的存在、Tesla Motorsは、新たに発表した家庭用 Powerwall battery が2016年半ばまで売り切れであり、強い市場需要は、今後建設する年間35ギガワット時の容量を持つバッテリー「ギガファクトリー」の能力に 匹敵する可能性がある と発表しました。これは米国の120万世帯が一日に必要とする電力量に相当します。
1990年代初頭にソニーが発売した当時、リチウムイオン電池は充電式電池の画期的な技術と多くの人に受け止められました。高い作動電圧と大きなエネルギー密度を備え、当時の最先端だったニッケル水素電池（NiMH）を上回っていたからです。リチウムイオン技術の普及は、携帯電子機器の革命を後押ししました。リチウムイオン電池がなければ、最新のSamsung Galaxyスマートフォンの電池は、1.5オンスではなく約4オンスの重さになり、体積も2倍になるでしょう。
しかし近年、リチウムイオン電池には否定的な報道が集まっています。ガソリン車と比べ、現代の携帯機器では電池の持ちが期待外れで、電気自動車では航続距離が限られています。また、リチウムイオン電池には 安全性に関する 懸念もあり、特に火災の危険 が指摘されています。この状況は、もっともな疑問を投げかけます。次に何が登場するのでしょうか。こうした問題を解決する画期的な進歩はあるのでしょうか？
より優れたリチウム化学系
これらの疑問に答える前に、電池の内部の仕組みを簡単に見てみましょう。電池セルは、セパレーターと呼ばれる絶縁層で隔てられた2つの異なる電極からなり、セパレーターは電解質に浸されています。2つの電極は異なる
電位 、すなわち異なる起電力 を持つ必要があり、その電位差によってセルの電圧が決まります。電位が最も高い電極を正極、最も低い電極を負極と呼びます。次世代電池はエネルギー密度を高め、電子機器の稼働時間やEVの航続距離を延ばす可能性があります。
著者およびWikipedia、著者提供
放電時には、電子が外部の導線を通って負極から正極へ流れ、帯電した原子、つまりイオンは、電荷の電気的中性を保つために内部を移動します。充電式電池では、充電時にこの過程が逆になります。
リチウムイオン電池のエネルギー密度、すなわち重量あたりの蓄電量は、約20年
にわたって 毎年約5％ずつ着実に増加し、90ワット時／キログラム（Wh/kg）から240 Wh/kgになりました。この傾向は今後も続くと予測されています。これは電極や電解質の組成・構造を段階的に改良してきたことに加え、従来の4.2ボルトから最新の携帯機器では4.4ボルトへと、最大充電電圧が上がったためです。エネルギー密度の向上を加速するには、電極材料と電解質の両面で画期的な進歩が必要です。最も期待される大きな飛躍は、正極に単体硫黄または空気を導入し、負極に金属リチウムを使うことです。
研究室での取り組み
リチウム硫黄電池は、現在のリチウムイオン電池に比べ、エネルギー密度を約2倍の400 Wh/kgまで高める可能性があります。リチウム空気電池では、約3,000 Wh/kgへと10倍に向上する可能性があります。主な理由は、電池の外部にある反応物、つまり電極上の元素ではなく空気中の酸素を使うことで、重量を大幅に減らせるためです。
リチウム空気電池は空気中の酸素を使って電気化学反応を進めます――実験室の外でも機能すればの話ですが。
Na9234/wikimedia
、CC BY 両方式とも研究コミュニティで集中的に研究されていますが、研究室では実用的な試作品の開発に苦戦しており、商用化には至っていません。硫黄電極の放電中、硫黄が電解質に溶けて電子回路から切り離されることがあります。その結果、充電中に硫黄から取り出せるリチウム量が減り、システム全体の可逆性が損なわれます。
この技術を実用化するには、重要な課題を達成しなければなりません。活物質をよりよく保持できるよう正極構造を改良するか、活物質が溶けない新しい電解質を開発する必要があります。
リチウム空気電池も、電解質と空気の反応によって生じる問題のため、繰り返し充電することが難しいという課題があります。また、どちらの技術でも、リチウム電極の保護という課題を
解決する必要があります 。救世主はナトリウム？
これまで述べた電池はいずれも、リチウムを不可欠な構成要素としています。リチウムは世界各地に比較的豊富に存在する元素ですが、残念ながら
存在量は微量にとどまり 、世界規模での商業採掘を妨げています。採掘可能な鉱石として得られる場所もいくつかありますが、リチウム生産の大半は高地の塩湖の塩水から行われており、その多くは南米アンデス地方にあります。こうした採取の難しさにもかかわらず、炭酸リチウムは1キログラムあたり約6米ドルで入手できます。また、電気自動車のバッテリーパックに必要な炭酸リチウムは約3キログラムにすぎないため、現時点ではコストは大きな懸念事項ではありません。
ここでの懸念はむしろ地政学的なものです。どの国もエネルギー自立を目指しており、輸送燃料として石油をリチウム電池に置き換えても、依存先が中東から南米へ移るだけです。
考えられる解決策の一つは、リチウムを元素のナトリウムに置き換えることです。ナトリウムはリチウムの
2,000倍豊富です 。電気化学的に見ると、ナトリウムはリチウムとほぼ同等であり、電池材料として非常に有望です。ナトリウムイオン電池の研究は近年
急速に広がっており 、商用化後の性能はリチウムイオン電池に匹敵する可能性があります。ナトリウムイオン電池は、リチウムイオン技術に対して大きなコスト面・性能面の優位性をもたらさないかもしれませんが、どの国も入手しやすい資源を使って自国で電池を製造する道を開く可能性があります。
万能薬ではない
いずれにしても、こうした新興技術はすべて、現在のリチウムイオンセルと同様の安全性への懸念を抱える可能性が高いでしょう。脅威となるのは、2ボルトを超える電圧での動作を可能にする、可燃性の溶媒ベースの電解質です。
実際、水は2ボルトを超えると酸素と水素に分解するため、3ボルト級のリチウム電池やナトリウム電池には使用できず、代わりに高価で可燃性の炭酸エステル系溶媒が使われています。無溶媒電解質などの代替品は、室温で高出力用途、たとえば自動車の駆動に必要なイオン伝導性を十分に備えていないため、商用セルには使われていません。
幸い、現在のリチウムイオン技術では、4,000万個に1個のセルだけが火災を伴う重大な故障を起こすと推定されています。リスクを完全に抑えることはできませんが、工学的な管理策と保守的な設計によって制御できます。
まとめると、現在のリチウムイオン電池はかなり優れた性能を備えています。リチウム硫黄やリチウム空気などの新たな化学系は、携帯型エネルギー貯蔵用途に革命をもたらす可能性がありますが、まだ研究室での研究段階にあり、実用製品になる保証はありません。
風力や太陽光のエネルギー貯蔵など、定置型のエネルギー貯蔵用途では、高温作動型の
ナトリウム硫黄電池 や レドックスフロー電池 など、他の種類の電池が、リチウムイオン電池より持続可能で費用対効果の高い候補となるかもしれません。ただし、それはまた別の記事で取り上げる話でしょう。この記事は
The Conversation との協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。アジェンダの最新情報を受け取るには、
週刊ニュースレターにご登録ください 。著者：Matthieu Dubarryは、ハワイ大学Hawaii Natural Energy Instituteの電気化学・固体科学担当の助教研究員です。Arnaud Devieは、ハワイ大学Hawaii Natural Energy Instituteの博士研究員です。
画像：2009年12月8日、ロンドンのリサイクルセンターで、電池が回収箱に入っている。REUTERS/Kevin Coombs。
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