ナノコンポジット電極触媒がリチウム硫黄電池を5分充電で再構築できる可能性

リチウムイオンからリチウム硫黄へ

リチウムイオン電池は、これまでバッテリー市場を支配してきました。これは、高エネルギー密度と、電子消費者市場向けに広く使用・生産されてきた先行優位性のおかげです。

他の用途に適用すると、リチウムイオン電池の容量に限界が現れ始めました。例えば、リチウムイオン電池は再充電が比較的遅く、急速充電は可能ですが、バッテリー寿命を損なう傾向があります。

充電の遅さは電気自動車（EV）オーナーにとって常に問題であり、電気自動車の導入を拒む理由としてしばしば挙げられます。

現在、EVは電力容量で最大のバッテリー消費者となっているため、充電が速い新しいバッテリー化学が急速に普及し、リチウムイオン設計と競合する可能性があります。

One such promising new chemistry are lithium-sulphur batteries. Previous designs were even slower to charge than lithium-ion, but new nanomaterials could make a lithium-sulphur-powered EV charge in just 5 minutes.

リチウム硫黄の利点と課題

新しいリチウム硫黄電池技術は、中国とオーストラリアの大学・研究機関（アデレード、天津、ANSTO、清華大学）の研究者によって発見され、Nature Nanotechnologyに「遷移金属/炭素ナノコンポジット電極触媒エンジニアリングによる高出力Li||S電池の開発」というタイトルで掲載されました。

リチウム硫黄電池は、長らく驚異的なエネルギー密度を提供することが知られており、Wh/kg（比エネルギー）で測定した場合、従来のリチウムイオン電池のエネルギーの2倍以上であり、Wh/L（比容量）で測定した場合も優れた性能を示します。

出典: Vertex Holdings

これまでリチウム硫黄電池のプロトタイプが広く採用されなかった主な課題は、寿命が短い（リチウムイオンの1/3）ことと、充電速度が非常に遅く、フル充電に1〜10時間を要する点です。

これはEVにとって明らかに受け入れがたいことで、ユーザーはすでにリチウムイオンでの20〜30分の充電時間に不満を抱いています。

(リチウムイオンの代替化学について、参考記事「The Future of Mobility – Battery Tech」で多く取り上げました)。

Lithium-sulphur limitations have suddenly changed thanks to the recent discovery published in Nature, with a new lithium-sulphur design promising astonishing performances:

• 寿命は最低1,000サイクルで、リチウムイオンと同等です。
• 比エネルギーは1,306 Wh/kgで、リチウムイオンの10倍以上、さらに多くの固体電池設計よりも優れています。
• 充放電サイクルが5分未満です。

ナノスケールでリチウム硫黄電池を構築する

では、研究者たちはどのようにして完璧に近い電池を構築したのでしょうか？

まず、研究者は原子/量子レベルで硫黄還元反応（SRR）を調査しました。これは充放電速度を制御する重要な部分です。この目的のため、粒子加速器（Australian Synchrotron、ANSTO）を使用し、金属系触媒における正確な原子軌道占有率（硫黄原子周囲の電子の位置）を測定しました。

これまで分析されていなかったデータを手に入れたことで、研究者は硫黄還元反応（SRR）の速度とプロセスを正確に予測できました。

この予測モデルを基に、炭素と鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛などのさまざまな金属電極触媒合金からなるナノコンポジット電極触媒を設計しました。

最終的に、上記で説明した優れた性能を示すコバルトと亜鉛の合金が選択されました。

次は何か？

このような「スーパーバッテリー」の開発は、輸送から大規模な再生可能エネルギーの導入まで、強力なユーティリティ規模のバッテリーを必要とするエネルギーシステムの電化における転換点となり得ます。

しかしながら、まだ初期段階であり、リチウム硫黄電池が主流になる前に解決すべき課題がいくつか残っています。

希少資源

リチウムイオン電池およびEVメーカーは、長年にわたりコバルト使用設計から脱却しようとしています。これはコバルトが希少な鉱物であり、その主要供給源であるコンゴでは、コバルト採掘が児童労働や奴隷労働、一般的な人権侵害と結びついているためです。

したがって、電極触媒に使用されるコバルト‑亜鉛ナノクラスターも同様の問題に対処しなければなりません。

コスト

高い材料コストは、業界が固体電池、リチウム鉄リン酸塩（LFP）またはナトリウムイオン電池を採用し、コバルトベースの設計から離れるもう一つの理由です。

したがって、コバルトベースのリチウム硫黄電池にとっては問題となり得ます。たとえリチウムイオンよりもはるかに効率的でエネルギー密度が高くてもです。

同時に、極めて高い比エネルギーは、同じEV走行距離に必要なバッテリーの数が減少することを意味します。

結果として、バッテリーは現在車両重量の25%以上を占めているため、EVの重量が大幅に軽減されます。重量が軽くなることで走行距離はさらに伸びます。

実際の決定要因は、リチウム硫黄電池のWhあたりの価格と、バッテリーパックの重量がどれだけ低減できるかです。

大量生産

過去10年間で、バッテリー技術には多くの革新的な材料や設計が登場しました。しかし、実験室で作られたコインセルをバッテリーパックに変換し、さらに工場規模の製造プロセスを構築することは簡単ではありません。

例えば、固体電池の商業化時期は、QuantumScape、Volkswagen、Toyota、CATL、LGなどにより年々繰り返し延期されています。 (QS )

これは技術が機能しないからではなく、品質問題なく低コストで大規模に固体電池を大量生産することが非常に困難であることが証明されたためです。

したがって、このリチウム硫黄プロトタイプを商用バッテリーに転換するまでには、まだ多くのステップが残っていると考えられます。

結論

バッテリーはEVの根本的な弱点であり、世界中の大学やCATL、Telsa、LGなどの業界リーダーによる膨大な研究努力により、徐々に解決されつつあります。

どの設計や化学が最終的に主流になるかは不明です。最有力候補は固体電池であり、リチウム硫黄は固体電池の商業化後に登場する次世代バッテリーになる可能性があります。

LFPやナトリウムイオンは、低コストで高性能を求めない用途や製品向けに引き続き利用される可能性があります。

もちろん、EVとは全く異なる要件を持つユーティリティ規模のバッテリー向けに、鉄空気、レドックス、重力、コンクリートバッテリーなど、さらにエキゾチックな設計も検討されています。これらは当社の記事「エネルギー貯蔵の未来 – ユーティリティ規模バッテリー技術」および「エネルギー転換のための非化学的バッテリー代替策」で取り上げました。

いずれにせよ、エネルギーシステムの将来は大量電化へと向かっています。そしてバッテリー技術は非常に速く進歩しており、EVや再生可能エネルギーの大規模導入に向けた最後の障壁を取り除く可能性が高いです。