🔋ドローンもウェアラブルも進化！次世代電池「リチウム空気電池」が実現する動力の軽さ革命とは？【NextTech2030】

近年、テクノロジーの進化を支える**「蓄電池」の分野で、驚くべき「軽さ革命」が目前に迫っています。従来のリチウムイオン電池をはるかに凌駕する軽さを特徴とし、「究極の蓄電池」とも称される「リチウム空気電池」が、いよいよ実用化への道のりを見せ始めたのです。この画期的な電池が実現すれば、私たちの生活や社会はどのように変わるのでしょうか。その魅力と、開発をリードする研究者の熱意に迫ってみましょう。

2030年頃の未来を想像してみると、私たちの頭上をドローンが自在に行き交い、人々はサングラスのようなウェアラブル端末を装着して、ネット上の情報にアクセスしたり、友人と会話を楽しんだりしているかもしれません。このような、小型かつ軽量な装置が日常に溶け込む「IoT」（Internet of Things）が進んだ社会において、その動力を担う要となるのが、まさにこのリチウム空気電池なのです。その最大の特長は、何と言っても「軽さ」にあります。

現在主流のリチウムイオン電池は、正極側にコバルトなどの金属材料、負極側には炭素素材を用いてリチウムを保持する仕組みです。これに対し、リチウム空気電池は、正極に金属の代わりに多孔質の炭素材料を使用し、リチウムと空気中の酸素との化学反応を利用して電気を取り出します。負極には、非常に軽量な金属リチウムを採用している点もポイントです。放電プロセスでは、負極でリチウム金属がリチウムイオンに変わり、正極で酸素とリチウムイオンが反応して過酸化リチウムが生成されます。レアメタルなどの貴重な金属を使用しない上、構成材料が軽いため、そのエネルギー密度はリチウムイオン電池の10倍以上に高められると理論上計算されているのです。

この桁違いのエネルギー密度の恩恵は計り知れません。例えば、リチウムイオン電池で約15分しか飛行できなかったドローンが、同じ重さのリチウム空気電池を搭載すれば、1時間以上の長時間飛行が可能になる計算です。また、希少な材料を使わないため、製造コストの低減にも繋がるでしょう。これは、空の物流や個人のモビリティを一変させ、私たちが身につけるウェアラブル端末の利便性を飛躍的に高める可能性を秘めています。まさに、デジタル社会を駆動する動力源の革新**と言えるのではないでしょうか。

実用化への最大の壁：充放電サイクル数の国際競争

しかし、この究極の電池の実用化には、まだいくつかの課題が残されています。その一つが、電池の寿命、すなわち充放電サイクル数です。充放電を繰り返すたびに、電池の構成要素である電解質が劣化したり、負極側でリチウムが樹状に成長する**「デンドライト」と呼ばれる現象が起こって電池が破壊されてしまうのです。現在、研究レベルでは数十回が限界とされていますが、実用化には数百回の充放電に耐える性能が必要不可欠だと、研究をリードする物質・材料研究機構（物材機構）の久保佳実チームリーダーは指摘します。

この課題を打破するため、久保チームリーダーらは粘り強く研究を進めています。2018年には、正極にレアメタルを微量加えるなどの工夫を施し、100回を超える充放電を達成しました。さらに、電池内部の電気を伝える液体である「電解液」を改良することで、サイクル数をさらに伸ばせるとの見通しを示しています。また、電池として実際に使える形にするための研究も欠かせません。リチウム空気電池の層を積み重ねて作る際、密閉してしまうと酸素が行き渡らず性能が低下しますが、久保チームリーダーらは、セルの間に多孔質（無数の小さな穴が開いた）の材料を挟むことで、電池全体に酸素を効率よく供給し、高エネルギー密度を保ったまま10枚のセル積層体で充放電を成功させています。

リチウム空気電池の研究は、1996年に最初の論文が発表されて以来、長らく実用化への道筋が見えませんでした。しかし、2010年代に入り、新たな電解液の探求が始まると、すぐに20回を超える充放電が可能となり、研究は一気にブレイクスルーを果たします。これを受けて、米国やEUで大型プロジェクトが立ち上がり、日本でも2013年に国家プロジェクトが始動するなど、世界中で熾烈な国際競争が繰り広げられる状況になりました。この数年間で充放電サイクルは100回近くまで伸び、実用化の光が見えてきたのです。とはいえ、本格的な普及には、性能低下の原因を探る基礎研究の深化が、今後はさらに重要になってくることでしょう。

物材機構は、この次世代電池の早期実現を目指し、2018年から大手通信企業のソフトバンクと共同研究を推進しています。彼らの目標は、2025年までに実用化に向けた試作品を完成させる**ことです。「そのためにも、あと1〜2年で数百サイクルの壁を突破したい」と語る久保チームリーダーの言葉からは、技術革新を求める強い意気込みが感じられます。安全性や充電時間の長さなど、まだクリアすべき課題は多いものの、リチウム空気電池がもたらす社会変革のインパクトは計り知れません。世界中の研究者が切磋琢磨し、この「究極の蓄電池」が私たちの手の届くところに来る日を楽しみに待ちたいと思います。