エネルギー
リチウム-CO₂バッテリーの画期的技術、電力供給しながら炭素を捕捉
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英サリー大学の研究者は、新しい触媒を使った実験段階のリチウム–CO₂電池を調べた。放電時にはリチウムと二酸化炭素が反応し、充電時には生成物を分解して反応を逆に進める必要がある。今回の成果はその可逆性を高めるための研究であり、市販電池が大気からCO₂を直接回収したり、温室効果ガスの純排出量を減らしたりすることを実証したものではない。
なぜ新しい電池の化学反応を研究するのか
リチウムイオン電池はスマートフォン、電気自動車、蓄電設備に広く使われている。製造には資源とエネルギーが必要で、使用後の適切な回収・再資源化も欠かせない。損傷や不適切な取り扱いによって熱暴走が生じる可能性もある。ただし、従来の記事にあった「すべてのリチウムイオン電池に白金やレアアースが必要」という説明は正しくない。材料は電池の種類によって異なる。
リチウム–CO₂電池では、二酸化炭素が電気化学反応に参加する。放電時にできる炭酸リチウムを充電時に分解するのは難しく、そのために必要な余分な電圧を過電圧という。適切な触媒を使えば、このエネルギー損失を抑え、充放電を繰り返しやすくできる可能性がある。
サリー大学のリチウム–CO₂電池研究
Advanced Scienceに掲載された論文では、リンモリブデン酸セシウム（CPM）を正極の触媒として使った。ケギン型構造を持つこの材料には、電気化学反応が起こりやすい部位、酸素に富む表面、CO₂分子とリチウムイオンの移動に役立つ細孔がある。研究チームは比較的単純な方法でCPMを合成し、実験室のセルで試した。
電気化学測定に加え、密度汎関数理論による計算で反応を検討した。粉末X線回折で結晶構造を、赤外分光法やX線光電子分光法で化学結合と表面状態を調べ、熱重量分析でも材料の特性を確認した。これらは触媒の働きを調べる方法であり、完成した商用電池パックの価格や寿命を測定したものではない。
CPM触媒の役割
CPMは放電時のCO₂還元と充電時の逆反応の両方を助ける。細孔は分子やイオンが反応部位に届く経路となり、生成物のための空間もつくる。正極を塞ぎ得る炭酸リチウムの分解が進みやすくなると考えられる。ただし、電解液、リチウム負極、安全性、量産工程などの課題が解決したわけではない。
実験で得られた数値
研究チームは1グラム当たり50mAの電流で、1グラム当たり15,440mAhの放電容量、97.3％のクーロン効率、0.67Vの過電圧を報告した。この比容量は実験の質量基準と条件に依存する。容器、電解液などを含む完成品のリチウムイオン電池の重量当たりエネルギーと直接比較できない。
容量を1グラム当たり500mAhに制限した条件では、100回を少し超える反復動作が示され、詳細な記述では107サイクルとされる。元の英語記事の「数千サイクル」や「毎日使って数年分」という記述は論文の結果と合わない。商用電池パックの安全性も検証していない。
期待される利点と残る課題
CPMは従来報告された複数の触媒と比べて低い過電圧を示し、合成方法も比較的簡単だ。さらなる研究に値する成果だが、一つの実験室研究だけで既存のリチウムイオン電池より安価、安全、長寿命、あるいは量産しやすいと結論付けることはできない。実際の負荷での長期試験、費用評価、ライフサイクル分析が必要になる。
CO₂を反応に使うことは、炭素の永久固定を意味しない。充電するとガスが再び放出される場合があり、全体の排出量はガスの入手方法、電源、材料の製造にも左右される。研究は通常の大気からCO₂を直接吸い取る装置を示していない。「空気をきれいにする」「実質排出ゼロ」といった主張は、現時点では論文の範囲を超える。
一部の高価な貴金属触媒を避けられる可能性はあるが、電池は依然としてリチウムなどの原料を必要とする。セシウムとモリブデンにも採掘や供給の問題がある。特定のレアアースを使わないことだけで、低価格や環境負荷の小ささは証明できない。
実用化はいつになるのか
CO₂の供給を制御できる環境では、この電池系が将来の蓄電研究に役立つ可能性がある。従来の記事は家庭、自動車、携帯端末、さらには火星での利用と、約5年後の消費者向け販売を示唆していた。しかし今回の試験は、そうした用途に必要な出力、寿命、安全性やシステム設計を実証していない。論文から販売時期は導けない。
研究者は触媒と電極・電解液の相互作用や、他のケギン型ポリオキソメタレートをさらに調べる計画だ。実用品には、はるかに多いサイクル数にわたる安定した可逆反応と、妥当な総コストが求められる。
電池分野の企業
Solid Power
Solid Powerは硫化物系の固体電解質と全固体電池を開発している。これはサリー大学が研究したリチウム–CO₂セルとは別の技術だ。同社がCPM触媒を採用するという根拠はない。同社の提携を、この研究によって株価が近く上昇する証拠として扱うべきでもない。
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まとめ
CPM触媒は実験用リチウム–CO₂セルで低い過電圧と、管理された条件で100回強の動作を示した。科学的な前進だが、安全で手頃な価格の、気候面でも有益な日常用電池はまだ実証されていない。
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参考研究
Masoudi, M. ほか「Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO₂ Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst」Advanced Science 12(17), 2502553 (2025). doi:10.1002/advs.202502553.
