寒冷環境でも動作する水素バッテリー

かつては単純な電源と見なされていたバッテリーは、今日では世界のクリーンエネルギー変革の中心に位置し、私たちの未来を形作る最も急速に成長している技術の一つです。

バッテリータイプの中で、リチウムイオンバッテリーは、携帯電話から電気自動車（EV）まであらゆるものに電力を供給するための好ましい選択肢です。

リチウムイオンバッテリーは1990年代初頭に商業的に登場しましたが、需要は過去10年間で指数関数的に増加し、2010年の0.5ギガワット時（GWh）から10年後には約526 GWhに達しました。

2010年の約1,400ドル/kWhから2023年の140ドル/kWhへと、リチウムイオンバッテリーコストがほぼ90%低下し、エネルギー密度とサイクル寿命の向上と相まって、電気自動車およびエネルギー貯蔵用途における支配的地位が強化されました。

しかし、リチウムイオンセルなどの充電式バッテリーには、寒さに弱いという大きな問題があります。

なぜバッテリーは寒冷で失敗するのか（そしてエンジニアがどのように解決するか）

バッテリーは寒冷条件下で性能が低下します。これは、内部の電気化学反応が氷点下の温度で遅くなるためです。

ほとんどのバッテリーは3つの主要部品から構成されています：

• 電極
• 電解質
• セパレーター

バッテリーには2つの電極があり、どちらも導電性材料で作られています。正極（カソード）はバッテリーの正端子に接続され、放電時に電流がバッテリーから出る場所です。負極（アノード）はバッテリーの負端子に接続され、放電時に電流がバッテリーに入る場所です。

この2つはセパレーターで分離され、短絡を防ぎます。これらの電極間には液体電解質があり、電荷を帯びた粒子（イオン）を含んでいます。電極材料と組み合わせることで、電解質は化学反応を起こし、バッテリーが電流を生成できるようにします。

Liイオンバッテリーの場合、電解質は通常、リチウム塩が溶解した溶液で、電極間で電荷を運ぶイオンを転送します。しかし、寒冷になるとイオンの移動が遅くなり、電極と適切に働かず、バッテリーが電流を生成できる量が減少します。

さらに、電極にリチウムが過剰に沈着すると、短絡を引き起こし、火災の原因となります。

そのため、寒冷な天候はバッテリー寿命に深刻な影響を与えます。バッテリーの効率と使用可能容量は大幅に低下します。AAAの昨年の示しましたによると、冬季の航続距離低下と充電速度の遅さがEVの勢いの減速に寄与しています。

この問題を克服するため、世界中の企業が新しくより優れたバッテリー化学を開発しています。

例えば、中国のバッテリー大手CATLは、-40℃まで放電可能な第2世代ナトリウムイオンバッテリーを発表し、エネルギー密度で200 Wh/kgを超えることを目指しています。

ナトリウムイオンバッテリーはリチウムイオンバッテリーより安全で寒さに強いとされていますが、エネルギー密度が低く、製造コストが高くなります。

一方、ミシガン大学のエンジニアはEVバッテリーの製造プロセスを改良し、寒冷でも高い航続距離と高速充電を実現する方法を開発しました。

チームはアノードに50マイクロメートルの通路を作り、リチウムホウ酸塩‑炭酸塩からなるガラス状材料の20nm厚コーティングを施し、リチウム金属の析出を防止しました。この改良により、-10°C（14°F）で500%速く充電でき、100回の高速充電後でも容量の97%を保持します。

「初めて、低温でもエネルギー密度を犠牲にせずに極めて高速充電を同時に実現する道筋を示しました。」

– 共著者 ニール・ダスグプタ、ミシガン大学機械工学・材料科学工学准教授

他にも、電解質の配合最適化やアノード材料の改良、特殊バッテリー技術の構築、内蔵ヒーター付きの厚い断熱材の導入、温度制御型スマート充電の提案、バッテリー温度を調整する予測制御アルゴリズムの提示など、さまざまな解決策が進められています。

このような材料や電解質、その他技術の進展に加えて、科学者は水素ベースのバッテリーなど代替エネルギー貯蔵システムも探求しています。

水素バッテリー：仕組みと重要性

水素はクリーンエネルギー源で、燃料電池で使用すると水だけを生成します。エネルギーキャリアとして、他の源から生成されたエネルギーを貯蔵・供給できます。

宇宙で最も豊富な化学元素である水素は、天然ガス、バイオマス、原子力、そして風力や太陽光といった再生可能エネルギーから生成できます。

この無色・無臭・極めて可燃性のガスは、水やすべての有機化合物の重要な構成要素でもあります。

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水素は実際には太陽の主要成分です。太陽の核で核融合によりエネルギーに変換されます。極めて高い圧力と熱の下で水素原子がヘリウムに融合し、莫大なエネルギーが放出されます。このエネルギーは太陽内部を通って外側へ伝わり、光と熱として宇宙へ放射されます。

地球上では、水素は魅力的な燃料オプションであり、リチウムイオンバッテリーに比べてバッテリー寿命が長いとされています。

技術的・財務的パフォーマンスを評価するため、ニューサウスウェールズ大学（UNSW）の研究者は評価しました LAVO と Tesla (TSLA ) Powerwall 2 の2つの市販システムを評価しました。彼らは前者の方がエネルギー損失が多いことを発見しました。

しかし、水素バッテリーは容量劣化が少なく、エネルギー密度がリチウムイオンバッテリーより高く、より長時間エネルギーを貯蔵できることが判明しました。リチウムイオンバッテリーよりも18％多くの充放電サイクルに耐えることができ、”遠隔地での長時間エネルギー貯蔵が必要な用途に適しています” と評価されました。

中国科学技術大学（USTC）の別の研究では、新しい化学バッテリーシステムを開発し、バッテリー駆動システムのより安全で持続可能な未来を目指しています。

現在の水素ベースバッテリーはカソードにH2を使用し、電圧範囲とエネルギー貯蔵容量が制限されていますが、USTCの研究チームは水素をアノードとして利用することを提案しました。チームはリチウムアノード、固体電解質、プラチナコーティングされたガス拡散層（水素カソードとして機能）を備えたプロトタイプを開発しました。

チームは理論上の比エネルギーが最大2,825 Wh/kg、放電電圧約3 V、往復効率99.7%のLi-H構成を報告しました—実際のパックレベル測定ではなく理論値です。

コスト効率を高めるため、チームはアノードなしのLi-Hバッテリーを構築しました。ここでは、充電時にリチウム塩からリチウムが供給されます。改良版は効率的なリチウム析出と剥離を可能にし、低水素濃度でも安定して動作し、高圧水素貯蔵への依存を低減します。

従来のニッケル水素バッテリーと比較して、Li-Hシステムはエネルギー密度と効率が向上し、将来的なLi-Hバッテリー技術応用への道を開きます。

多くの利点があるものの、水素の貯蔵は容易ではありません。実際、貯蔵は水素利用における大きな課題です。

低温水素貯蔵を可能にするBa–Ca–Naハイドリド電解質

水素の貯蔵には、極低温（−252.8°C）または高圧（350〜700バール）が必要です。固体状態での貯蔵は高圧ガスタンクの安全リスクを回避できますが、低温での材料制限があります。

この課題に対処するため、東京科学研究所（Science Tokyo）の研究者はハイドリドイオンを利用した電気化学的水素貯蔵を探求し、有望なハイドリドイオン導電性固体電解質を発見しました。

異なるサイズのイオンを組み合わせることで超イオン伝導性が得られると報告されており、研究者はBaH2‑CaH2‑NaHを組み合わせました。

得られた固体電解質、anti‑α‑AgI型 Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 は優れた電気化学的安定性とハイドリドイオン（H‑）導電性を持ちます。

電気化学的安定性が多くの金属ハイドリド電極と柔軟に結合できることは注目すべき点です。したがって、この電解質はチタンハイドリドやマグネシウムハイドリド（MgH2）などの金属‑水素電極と良好に機能し、低温で高容量・可逆的な水素貯蔵を実現します。

初期実験では、研究者は電解質をTiH2（チタンジヒドリド、チタンと水素の化合物）とチタン参照電極の間に配置し、アセチレンブラックとモリブデン電流集電体も使用しました。

これにより、研究者は固体電解質の安定電位窓を測定でき、これまでで最高の値が報告されました。

研究者は、体心立方（bcc）構造に起因する高いH‑導電性も報告しました。この構造はパッキング密度が低く、「イオン輸送のための開放経路」を提供します。フレームワーク内の高分極性カチオンも高いイオン導電性に寄与しています。

その後、研究者はMgH2を用いて電解質の水素貯蔵能力をテストしました。

MgH2は高容量かつ低コストで水素貯蔵に研究されている化合物です。この材料はバッテリー様システムに組み込むことができ、充放電時に水素を貯蔵・放出します。しかし、望ましくない副反応や吸放出の逆転性の低さ、300°C以上の高温が必要という課題がありました。

しかし、研究者はMg‑H2セルを水素貯蔵デバイスとして機能させ、90°Cで2,030 mAh/gの容量を示すことに成功しました。

300〜400°Cから約90°Cへ：実用的な低温水素バッテリー

Science Tokyoの研究者が開発した新しい水素バッテリーは、従来の低容量・高温という制限を克服しました。現在の固体状態水素貯蔵方式が必要とする300〜400°C（572〜752°F）ではなく、このバッテリーは90°C（194°F）で動作します。

このバッテリーは固体電解質を通じてハイドリドイオンを移動させ、マグネシウムハイドリド（MgH2）が完全容量で水素を繰り返し貯蔵・放出できるようにします。

この開発により、研究者は水素燃料を実用的に貯蔵する方法を提供し、水素駆動車両やクリーンエネルギーシステムへの道を開きます。

「Mg‑H2バッテリーを安全かつ効率的な水素エネルギー貯蔵デバイスとして実証し、高容量、低温、可逆的な水素ガスの吸収・放出を実現しました。」

– 助教授 松井 直樹

固体部品を用いた水素バッテリーは既に存在しますが、高温が必要です。しかし、新しい水素バッテリーはMgH2アノードの理論上の全貯蔵容量と高いイオン導電性を室温で実現できます。これは固体電解質 Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 によるものです。

バリウム（Ba）、カルシウム（Ca）、ナトリウムハイドリド（NaH）から構成された電解質は、ハイドリドイオン（H‑）を効率的に移動させます。

この電解質は超イオン伝導性で知られる結晶構造（anti‑α‑AgI型）を持ちます。この構造では、Ba、Ca、Naが体心位置を占め、ハイドリドイオンは面共有八面体および四面体サイトを通って自由に移動します。

この新しいバッテリーはリチウムイオンバッテリーと同様に機能しますが、正電荷イオンではなく、負電荷を帯びたハイドリドイオンを電解質を通して移動させます。

バッテリーはアノードにマグネシウムハイドリド（MgH2）を、カソードに水素ガス（H2）を使用します。

充電時、MgH2アノードはハイドリドイオンを放出し、これが新しい電解質を通ってカソードへ移動し、そこで酸化されて水素ガスが放出されます。

放電時にはプロセスが逆転し、カソードの水素ガスが還元されハイドリドイオンとなり、電解質を通ってアノードへ移動し、Mgと反応してMgH2を形成します。酸化還元反応により負に帯電したアノードは電子を失い、外部回路を通って正に帯電したカソードへ流れ、接続されたシステムに電力を供給します。

これにより、固体セルは水の沸点直下の温度で必要に応じてH2を貯蔵・放出できるようになります。

このセルを使用して、研究者は繰り返しサイクルでMgH2の理論上の全貯蔵容量に到達しました。2,030 mAh/g の容量は、リチウムイオンバッテリーの154〜203 mAh/g と比べてはるかに高いです。

「我々の水素貯蔵バッテリーのこれらの特性は、従来の熱的手法や液体電解質では達成できなかったもので、エネルギーキャリアとしての効率的な水素貯蔵システムの基盤を提供します。」

– 研究主任・京都大学化学研究所（ICR）准教授 広瀬 隆

このバッテリーはまだ日常製品に使用できる段階ではありませんが、従来よりはるかに低温での水素エネルギー貯蔵における画期的な成果であり、より効率的で簡便な水素貯蔵への道を開きます。

これにより、時間とともに劣化し効率が低下する重いリチウムイオンバッテリーに代わり、電気自動車で水素バッテリーが採用される可能性があります。

さらに、高圧システムや極端な冷却、高温運転を必要とせずに水素を貯蔵できるため、この新しいバッテリーデザインは水素をグリーン電源として活用することを支援し、グリーンエネルギーへの移行を加速させます。

研究者は現在、イオン導電性がより高い固体電解質と電極材料の開発を計画しています。また、低温での動作とエネルギー効率の向上を目指したデバイス設計にも取り組む予定です。

水素バッテリーテクノロジーへの投資

Bloom Energy Corporation (BE ) は固体酸化物燃料電池（SOFC）の設計・製造に従事しています。その燃料電池システムは半導体製造、データセンター、大規模ユーティリティなどにオンサイト電力供給を提供しています。世界1200以上の設置で合計1.5 GWの電力を展開しています。

同社は2つの製品を持っています：水素生成用のBloom Electrolyzer と電力生成用のBloom Energy Server です。

Bloomの市場パフォーマンスは今年大きく上昇しており、年初来で391%上昇し、今月だけで株価は史上最高の125.75ドルに達しました。EPS（TTM）は0.11、P/E（TTM）は1,013.28です。

財務面では、Bloomは2025年第2四半期の売上高が4億120万ドルで、前年同四半期比19.5%増加しました。粗利益率は26.7%、非GAAP粗利益率は28.2%で、期間中の営業損失は350万ドルでした。

「オンサイト電力が急速なAI成長に伴いますます不可欠になる中、Bloom製品への市場需要はかつてないほど高まっています。他の代替品とは異なり、我々の製品はデジタル革命のために特化して設計されています。」

– 創業者兼CEO KR スリダー

Oracleと協力してAIデータセンターにオンサイト電力を提供した後、Bloom EnergyはBrookfield（NYSE: BAM）と提携し、最大50億ドルを投資して燃料電池技術を展開します。両社は共に「大規模AIに電力供給する新たな設計図」を作成しています。

最新のBloom Energy Corporation（BE）株式ニュースと開発状況

結論

高いエネルギー効率、エネルギー密度、長寿命サイクルを備えたリチウムイオンバッテリーは、電気自動車やエネルギー貯蔵の人気選択肢となっています。しかし、寒冷な天候はこれらのバッテリーに大きな課題をもたらし、容量と効率の低下を引き起こします。

世界中の科学者や企業が次世代バッテリー設計を進める中で、水素はエネルギーキャリアおよび将来の燃料として注目を集めています。

固体電解質を備えた新しい水素バッテリーは、従来モデルの4倍の低温で水素を貯蔵・放出できるという画期的なマイルストーンです。安定した動作と理論上の全容量を実現することで、この突破口はEV向けにより高密度で長寿命なバッテリーの実現を可能にし、過酷な気候での性能を大幅に向上させるでしょう。

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