リチウム・空気電池

リチウム空気電池：高エネルギー密度電池の挑戦

リチウム空気電池は、金属リチウムを負極、空気中の酸素を正極活物質として用いる、次世代の蓄電デバイスです。既存のリチウムイオン電池に比べて、はるかに高い理論上のエネルギー密度を持つことから、電気自動車や携帯機器などの電力源として大きな期待が寄せられています。

作動原理

リチウム空気電池は、リチウムと酸素の化学反応を利用して電気を発生させます。放電時には、リチウムイオンが負極から電解質を介して正極へ移動し、酸素と反応して酸化リチウム（Li2OまたはLi2O2）を生成します。この反応で放出されるエネルギーが電気エネルギーとして取り出されます。

化学反応式は以下の通りです。

2Li + O2 → Li2O2
4Li + O2 → 2Li2O

理論的には、Li2O生成時の開放電圧は2.91V、Li2O2生成時は3.1Vに達し、エネルギー密度はリチウムイオン電池を大きく上回る5200Wh/kgにもなります。ただし、これは酸素を空気中から供給できる場合の値です。実際には、電極や電解質の重量も考慮する必要があり、実質的なエネルギー密度は理論値よりも低くなります。

実用化に向けた課題

リチウム空気電池の実用化に向けては、いくつかの課題があります。

充放電サイクル寿命の短さ: 繰り返し充放電を行うと、正極に生成した酸化リチウムが蓄積し、酸素の供給を阻害するため、電池容量が低下します。
電解質の安定性: 電解質は、リチウムイオンを効率的に輸送し、正極での反応を促進する必要があります。しかし、空気中の水分や二酸化炭素の影響を受けやすく、電池の劣化につながることがあります。また、生成物である水酸化リチウムは強いアルカリ性を示し、電解質を腐食する可能性があります。
過電圧: 充放電時に発生する過電圧は、電池効率を低下させます。この問題を解決するためには、触媒の開発や電極材料の改良が重要です。
安全性: リチウムは反応性の高い金属であるため、電池の安全性確保が重要です。発火や爆発の危険性を最小限に抑えるための対策が必要です。

研究開発の歴史

リチウム空気電池の研究は1990年代から始まり、近年では、電解質や電極材料の改良、新しい電池構造の開発など、活発な研究開発が行われています。特に、産業技術総合研究所（AIST）による、水性電解質と固体電解質を用いた改良型リチウム空気電池の開発は大きな進歩でした。この技術により、正極での酸化リチウムの蓄積を抑制し、電池寿命の向上に成功しています。

[物質・材料研究機構]とソフトバンクによる共同研究では、リチウムイオン電池を上回る500Wh/kg級の電池の充放電に成功し、実用化に向けた更なる期待を高めています。

将来展望

リチウム空気電池は、高いエネルギー密度と環境への配慮から、次世代の蓄電デバイスとして大きな可能性を秘めています。しかし、実用化のためには、上記の課題を克服する必要があります。今後の研究開発により、これらの課題が解決されれば、電気自動車や携帯機器の飛躍的な性能向上に貢献するでしょう。リサイクルシステムの確立も、実用化への重要な課題です。

もう一度検索