より小型で、より長持ちで、より強力な電池を求めて、科学者たちは電池化学における様々な代替アプローチを試みてきました。その一つが、私たちが待ち望んでいた画期的な成果を生み出したかもしれません。
都市伝説によれば、化学者KMアブラハムが1995年に研究室でテストしていた電池セルに小さな漏れがあり、そのセルのエネルギー含有量が予想よりもはるかに高くなったという。
アブラハムは液漏れを修理する代わりに、調査を行い、世界初の充電式リチウム空気（Li-air）電池を発見しました。この発見は今のところ技術的に実現可能な製品にはつながっていませんが、ケンブリッジ大学の研究グループがScience誌に発表した論文が、その状況を変えるかもしれません。
2008年、テスラは市販のリチウムイオン（Li-ion）電池を搭載した大胆な電気自動車「ロードスター」を発表し、業界関係者を驚かせました。この電池は、スマートフォンからノートパソコン、カメラ、玩具まで、あらゆる機器に電力を供給しています。それ以来、電気自動車市場は急速に成長し、それを支える電池の平均航続距離も伸びています。
しかし、その成長は加速する必要がある。1994年から、一般的なリチウムイオン電池のエネルギー容量を3倍にするには20年を要した。キム・グンウ教授とクレア・グレイ教授が率いる新たな研究では、リチウムイオン電池で一般的に使用される金属酸化物の代わりに、軽量で多孔質の炭素などの電子伝導体のみを使用するリチウム空気電池の実験が行われた。実用的には、これは大幅な軽量化につながるが、それなりの課題も伴う。
リチウム空気電池の仕組み
リチウム空気電池は、正極に存在する酸素分子（O2）を利用して電圧を発生させます。O2は正に帯電したリチウムイオンと反応して過酸化リチウム（Li2O2）を形成し、電気エネルギーを生成します。Li2O2が生成できなくなると、電極から電子が引き出され、電池は空（放電）になります。
理論的には、リチウム空気電池は、正極（右側）のすべての細孔が過酸化リチウムで満たされた状態（この図では上から下に向かって満たされている）で空（放電）になります。
しかし、Li 2 O 2は電子伝導性が非常に低い物質です。反応に必要な電子を供給する電極表面にLi 2 O 2の堆積物が成長すると、反応が弱まり、最終的には反応が停止し、バッテリーの電力が低下します。この問題は、反応生成物（この場合は過酸化リチウム）を電極の近くに保管し、かつ電極を覆わないようにすることで解決できます。
ケンブリッジ大学の研究者たちは、まさにそれを実現するレシピを発見しました。標準的な電解質混合物にヨウ化リチウム（LiI）を添加剤として加えるのです。研究チームの実験では、大きな孔が詰まった薄いグラフェンの層を多数重ねた、スポンジ状でふわふわとした電極も使用しました。そして、最後に重要な材料となるのは少量の水です。
この化学物質の組み合わせにより、バッテリーの放電反応では、電極の導電面を汚すLi 2 O 2は生成されません（下図の左側を参照）。代わりに、水（H 2 O）から分離した水素を取り込んで水酸化リチウム（LiOH）結晶を形成します。これらの結晶は、ふわふわとした炭素電極の細孔を埋めますが、重要なのは、電圧供給を生み出す重要な炭素表面を覆って塞がないことです（右側）。つまり、ヨウ化リチウムが「促進剤」（正確な役割はまだ明らかになっていませんが）として存在し、水が共反応物としてプロセスに存在することで、リチウム空気バッテリーの容量が向上します。
リチウム空気電池。放電生成物として過酸化リチウム（左、炭素電極を塞いでいる）と水酸化リチウム（右、電極を塞いでいない）が使用されています。簡略化のため、電極の細孔構造は描かれていません。
Li-air は状況をどのように変えるのでしょうか?
電極表面を清浄に保つこのプロセスは、バッテリー容量の向上に不可欠です。しかし、欠点は、容量向上の要因となる電極と放電生成物間の電気的接触の欠如が、原理的に再充電を困難にしてしまうことです。
ここでも、ヨウ化リチウム添加剤こそが、不足している成分であることが判明しました。電極では、負に帯電したヨウ化物イオンがI 3（三ヨウ化物）イオンに変換されます（図の右側を参照）。このイオンはLiOH結晶と結合して溶解し、細孔を浄化することで完全な再充電が可能になります。
リチウム空気電池の充電。左：炭素表面から過酸化リチウムを除去する必要がある。右：ヨウ化物と三ヨウ化物のサイクル。三ヨウ化物が水酸化リチウムを化学的に溶解し、元素を解放して再び結合し、発電できるようにする。
実際、このメカニズムは電極表面に付着したLi 2 O 2の再充電よりもさらに効果的です。電子はLi 2 O 2層を通過する必要がないため、ヨウ素添加剤を添加したLi空気電池の再充電には、添加していないLi空気電池よりも低い電圧が必要です。つまり、電池の再充電に必要なエネルギーが少なくなり、このようなLi空気電池で走行する電気自動車のエネルギー効率が向上することになります。本研究の著者らは、エネルギー効率が約90%に近づいているというデータを示しており、この新しい電池技術は従来のLiイオン電池のエネルギー効率に近づいています。
彼らの研究結果は、他の多くの研究グループが諦めかけていたリチウム空気技術の将来への明るい道を示しています。この画期的な成果を受けて、より多くの研究者がこの分野に戻ってくることで、リチウム空気電池の商用化がついに現実のものとなるかもしれません。®
この記事はTheConversation.comで最初に公開されました。ハリー・ホスターはランカスター大学のエネルギー・ランカスター部門長であり、物理化学教授です。
