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 1000km走行!夢の次世代電池とは?
 携帯電話やノートパソコンなどにリチウムイオン電池は広く使われている。最近は、電気自動車用にも使われているが、高価であるし意外にもエネルギー量が小さい。長距離走行ができないのだ。現在、リチウムイオン電池の高性能化と低コスト化が期待されている。

 現状のリチウムイオン電池では、電池容量に制約があり、2010年の時点で、電気自動車の長距離走行は160kmが限界である。また、バッテリーの8割の充電が、15分から30分程度で可能な急速充電器は、今の所、全国に約150ヶ所にしかない。しかもその2/3が首都圏。ガソリンスタンドの数が、全国で万のオーダーである事を考えると、電気自動車(EV)用の急速充電器の数は、今はまだ少なすぎる。通常の100Vの家庭用コンセントでは5時間~14時間かかるのは問題外だ。

Lithium–Air Battery

 電気自動車の普及のためには、現在のレベルの約6~7倍のエネルギー密度が必要だ。そして、充電も10分程度で済ませたい。そこで、リチウムイオン電池よりもはるかに大きいエネルギー密度を有する電池が研究されている。その電池で走行すれば、1回の充電で1000kmも走行でき、充電はカセット交換の数分で済むという。そんな夢のような電池があるのだろうか?

 それが、金属リチウム・空気電池である。この電池では、正極で空気中の酸素を活物質として用いるので、理論的には正極の容量が無限となり、大容量を実現することができる。

高性能「リチウム・空気電池」開発
 2009年2月、独立行政法人 産業技術総合研究所の 王 永剛らは、新しい構造の大容量リチウム・空気電池を開発した。有機電解液と水性電解液を組み合わせた「リチウム・空気電池」である。そして、大容量化(空気極の基準で50000mAh/g)を達成した。金属リチウムをカセット等により補給すれば新型のリチウム燃料電池となるという。

 これまでの、リチウム・空気電池は、正極に固体の反応生成物が蓄積し、電解液と空気の接触が遮断され放電が止まるなどの問題があった。

 今回、負極(金属リチウム)側に有機電解液を、正極(空気)側に水性電解液を用い、両者を固体電解質で仕切り、両電解液の混合を防いだ。固体電解質はリチウムイオンのみを通すため、電池反応は支障なく進み、正極における反応生成物は水溶性であり固体物質は生成しなかった。この電池の連続50000mAh/g(空気極の単位質量あたり)の放電も実験により確認した。

 本技術は自動車用電池として極めて有望である。自動車用のスタンドで、正極の水性電解液を入れ替え、負極側の金属リチウムをカセットなどの方式で補給すれば、自動車は充電の待ち時間なく連続走行できる。使用済みの水性電解液からは電気的に容易に金属リチウムが再生され、リチウムは繰り返し使用される。金属リチウムを燃料とした新型燃料電池といえる。(2009年2月24日 産総研プレスリリース)

リチウム・空気電池とは何か?
 金属リチウムを負極活物質とし、空気中の酸素を正極活物質とし、充放電可能な電池を指している。リチウムは金属のうち最もイオンになりやすくこれを負極として用いると、正極との電位差が大きく、高い電圧が得られる。また原子の大きさが小さいため質量あたりの電気容量をかせげる。正極の活物質である酸素は電池セルに含める必要がないため、理論上リチウムイオン電池よりも大きな容量を期待でき、自動車用電池として研究されている。

 原型は米国で特許となっており(米国特許第5510209号)、その後、日本で改良した別方式を開発した(後述)が、いずれも実用化は未だされていない。負極は金属リチウムと直結し、正極には空気が触れる。リチウムと空気(酸素)の化学反応を電力とする。

 金属-空気電池の化学的な組み合わせにおいて、リチウム空気電池は放電時のリチウムと酸素から、Li2Oから4Li + O2 → 2Li2Oの収率によると最も魅力的で、開放電圧は2.91Vで、理論的に貯蔵できる単位重量あたりのエネルギーは5200 Wh/kgである(リチウムイオン二次電池は1000Wh/kgに満たない)。

 実際には酸素は空気から得られるため、宇宙・水中など特別な場合を除き、蓄電池に貯蔵する必要がないため実効的な性能は更にあがる。酸素を除いた理論的な貯蔵できるエネルギーは11140 Wh/kgもある。

 用途を問わず、現在もっとも普及し、かつ有力視されている充電池はリチウムイオン電池である。リチウムイオン二次電池ではリチウムイオンが負極と正極の間を移動することにより充放電が行われる。しかしリチウムイオン電池は両電極材の充放電容量不足で、重量が重いという問題がある。リチウム・空気電池は正極の活物質に空気中の酸素を利用するので、原理上、正極は容量の制限にならない。夢の充電池として、リチウムイオンの次世代の電池として本命視されている。(Wikipedia)


参考HP Wikipedia「燃料電池」「リチウム・空気電池」 産業技術総合研究所  
新しい構造の高性能「リチウム・空気電池」を開発

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