ナトリウム空気燃料電池がバッテリー飛行を現実に近づける

Researchers from MIT and other lending institutions unveiled a sodium-air fuel cell design capable of powering aircraft. The revolutionary concept provides higher energy density while naturally capturing atmospheric carbon dioxide. Here’s how sodium-air fuel cells could revolutionize air travel in the years to come.

航空におけるバッテリー課題

電気自動車が標準となりつつある一方で、航空セクターは同様の成長を見ていません。いくつかの選択肢はありますが、個人用機であり、乗客は数名に限られます。この成長が停滞している主な理由は、バッテリー技術が商業航空機に必要な基準をまだ満たしていないことです。現在のリチウムイオンバッテリーは重く、航空機に電力を供給するために必要な量はセルが多すぎて実用的ではありません。

電動航空におけるパワーギャップ

バッテリー駆動の飛行を実現するためには、エンジニアは現在の電気自動車用リチウムイオンバッテリーのエネルギー密度を300 Wh/kgから1,000 Wh/kgまで引き上げる必要があります。リチウムイオンバッテリーのパワー密度を3倍にすることは不可能ですが、他の選択肢が現れ始めています。

金属空気バッテリー：高エネルギー、低再充電性

リチウム空気やナトリウム空気などの金属空気バッテリーは、過去数十年にわたり徹底的に研究されてきました。確かにエネルギー密度は高いですが、再充電に関して深刻な課題があります。アルカリ金属空気バッテリーの化学反応は固体放電生成物を形成し、これが除去しにくく、数サイクルしか使用できないためユニットがすぐに使えなくなります。幸い、この状況は変わり得ます。

ナトリウム空気燃料電池の突破口

MITの研究者は、他の機関の科学者と共に、従来の課題を緩和し、クリーンな携帯エネルギーの新時代を切り開く可能性のあるナトリウム金属燃料電池技術を発表しました。

ジャーナル『Joule』に掲載された研究Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric powerは、特別に設計された液体ナトリウム金属空気燃料電池を詳述しています。この燃料電池は固体電解質膜を組み込み、バッテリーが湿度と気流を調整して性能を向上させることができます。

ナトリウム空気燃料電池が従来のバッテリーと異なる点

燃料電池はバッテリーのように動作しますが、主な違いはエネルギー生成材料が交換可能であることです。この設計は旅行に最適で、充電の必要がなく、燃料補給で済みます。

使用済み電極は工場へ送られ、処理・再充填され、再利用のために戻されます。この場合、ナトリウムが使用されます。ナトリウムは沸点が98℃と低く、低コストでの再燃料化に適しています。

ナトリウム空気燃料電池設計の内部

ナトリウム空気燃料電池は、装置の一側に一般的で低コストな液体ナトリウム金属を使用します。反対側は開放空気のチャンバーです。二層の間には電解質があり、空気側には多孔質構造が施され、ナトリウムイオンが自由に通過して酸素と反応し、電気を生成します。

プロトタイプと燃料電池カートリッジ設計

エンジニアは2つのテスト可能なプロトタイプを作成しました。両方のバージョンは同じエネルギー生成手法を使用しましたが、1つは水平に配置されるよう設計されました。どちらも液体ナトリウム金属で満たされ、密封された再充填可能なカートリッジを利用しています。

出典 – Joule

Hセル設計：仕組み

Hセルプロトタイプは、中央に固体電解質が充填された管で接続された2本の垂直ガラス管がH字形を形成しています。中央の管はセラミック電解質と多孔質空気電極を使用し、液体ナトリウム金属と酸素との間で電気化学反応を起こし、ナトリウム燃料を消費します。2番目の設計はH字形に似ていますが、ベースが変更されています。この構成は、多孔質空気電極の上に置かれる電解質材料のトレイを使用します。

興味深いことに、これらの反応の副産物は周囲の空気と結合して炭酸ナトリウムを生成します。さらにいくつかの自然に起こる化学反応を経て、排出物は重曹としても知られる炭酸水素ナトリウムになります。

この炭酸水素ナトリウムは環境に有益です。海に添加すると水の酸性を低減するのに役立ちます。燃料電池設計にさらなる浄化機能を加えることになります。

湿度が燃料電池効率に果たす役割

研究者が驚いた重要な発見の一つは、プロセス全体に対する湿度の影響でした。エンジニアは空気中の湿度量が電気化学反応に大きな影響を与えることを観察しました。

湿度はナトリウムを液体形態で放出させるのに有用であることが分かりました。この発見により、再充填時に除去が困難な固体バッテリー廃棄物を排除できました。液体残留物は加圧空気で簡単に押し出すことができ、コスト削減につながります。

ナトリウム空気燃料電池のテスト

エンジニアは理論を検証するために複数のテストを実施しました。正確な気流と制御された湿度を用いてさまざまなアプローチを試し、性能を最適化しました。テスト結果は驚くべきもので、新しい燃料電池設計は従来のすべてのバッテリーデザインを上回りました。

結果：リチウムイオンの3倍のエネルギー密度

エンジニアは自らの成果が従来のバッテリーを3倍以上上回ることに興奮しました。スタックレベルのエネルギー密度は80 mA/cm2で1,200 Wh/kgに達しました。この性能を維持するために必要だったのは、厚さ2.3 cmのナトリウム金属だけでした。

ナトリウム空気燃料電池の利点

多くの利点により、ナトリウム空気バッテリーは将来の応用に有力な候補となります。まず、コストがはるかに低いことです。リチウムイオンバッテリーは製造コストが高く、重量もあります。さらに大量の廃棄物が出ます。ナトリウム金属の使用ははるかに安価です。加えて、米国はテトラエチル鉛の添加剤として大量生産の歴史があります。

エネルギー密度の利点

ナトリウム空気バッテリーは従来のリチウムイオン構成の3倍の重量対出力比を提供します。この追加されたパワー密度により、重量に敏感な用途への利用が可能になります。エネルギーが増えることで、バッテリーはより小型化でき、将来の設計者のニーズに合わせた形状に適合させることができます。

リチウムイオンよりも安全性が向上

ナトリウム空気バッテリーのもう一つの利点は、リチウムイオンバッテリーよりもはるかに安全であることです。インターネット上には、熱暴走によりリチウムイオンバッテリーが発火・爆発する事例が多数あります。ナトリウム空気バッテリーは、他の設計と異なり、一方が空気だけであるため、熱暴走のリスクが大幅に低減されています。

環境への利点と大気浄化副産物

ナトリウム空気バッテリーの主な利点の一つは、はるかにクリーンであることです。その副産物は自然に汚染物質と化学反応し、有用な化学物質に変換します。このアプローチは、使用年数が増すにつれて埋立地問題を引き起こすリチウムイオンバッテリーよりも持続可能です。

実際の使用例と商業化タイムライン

ナトリウム空気バッテリーにはさまざまな用途があります。これらのバッテリーは低コストで高エネルギー密度を提供します。その軽量設計により、貨物トラックから鉄道、船舶、航空までの商業用途に最適です。

航空：ナトリウム空気燃料電池の主要ターゲット

ナトリウム空気バッテリーは、電動航空機の時代を切り開く可能性があります。これらの装置は交換可能な燃料電池トレイを利用して、世界規模の飛行を支えることができます。エンジニアは、燃料電池の副産物が従来の排気口から機体外へ排出され、飛行中に空気を浄化するというコンセプトを説明しました。

タイムラインと商業見通し

研究者はこの技術をできるだけ早く商業部門に導入したいと考えています。すでにPropel Aeroという会社を設立し、概念を市場に持ち込むための資金調達を支援しています。エンジニアによれば、目標はレンガサイズの燃料電池を製造し、大型商用ドローンに信頼できる1,000 Whのエネルギーを供給することです。

ナトリウム空気燃料電池の研究者

ナトリウム空気燃料電池の研究は、Karen Sugano、Sunil Mair、Saahir Ganti-Agrawal、Yet-Ming Chiang、Alden Friesen、Kailash Raman、William Woodford、Shashank Sripad、Venkatasubramanian Viswanathan によって提案されました。このプロジェクトはBreakthrough Energy Ventures、米国国立科学財団（NSF）、およびARPA‑Eから資金援助を受けました。

バッテリーセクターへの投資

世界により優れたバッテリーをもたらす競争があり、メーカーは新しいソリューションで次々に挑んでいます。世界はワイヤレス化が進み、バッテリーがその代替となっています。そのため、バッテリー技術は最も急速に革新が進む分野の一つとなっています。ここでは、その先頭に立つ企業をご紹介します。

Enovix Corp.

Enovix Corp (ENVX )は2006年に市場に参入し、カリフォルニア州フリーモントに本社を置いています。同社の創業者であるHarold Jones Rust III、Ashok Lahiri、Murali Ramasubramanianは、電気自動車やその他の先進技術に電力を供給する、より効率的なリチウムイオンバッテリーの開発を目指しました。設立以来、Enovixは常に先駆的な精神を保ち続けています。

同社は、従来の代替として3Dシリコンリチウムイオン充電式バッテリーアーキテクチャの普及に貢献しています。さらに、同社は新素材や製造プロセスの探索にも取り組んでおり、コスト削減とリチウムイオンバッテリーの性能向上を目指しています。

Enovixは市場での成功に向けた体制を整えています。同社は環境に優しく、エネルギー効率が高く、高性能なリチウムイオンバッテリー代替品の創出に注力した結果、顕著な成長を遂げています。

最新のEnovix Corp.（ENVX）株式ニュースと開発情報

ナトリウム空気燃料電池で実現するクリーンな未来

空気を浄化する副産物を放出するバッテリーの概念は、画期的な変化をもたらします。この技術は、バッテリー密度の課題から海洋浄化まで、さまざまな問題の解決に寄与できる可能性があります。プロジェクトが携帯電力の革命という目標を達成すれば、その影響は長年にわたり続くでしょう。まずは、世界をより緑化しようとするチームの努力と情熱に敬意を表します。

他のクールなエネルギー突破についてはこちらをご覧ください。

参照された研究：

^{1. Sugano, K., Mair, S., Ganti-Agrawal, S., Chiang, Y.-M., Friesen, A., Raman, K., Woodford, W., Sripad, S., & Viswanathan, V. (2025). Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power. Joule. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101962}