編集者注：電気技術はグリーン地球の未来であり、バッテリー技術は電気技術の基盤であり、電気技術の大規模発展を左右する鍵でもあります。現在の主流バッテリー技術はリチウムイオン電池で、エネルギー密度が高く効率も優れています。しかし、リチウムは希少元素であり、高価で資源も限られています。同時に、再生可能エネルギー源の利用が拡大するにつれ、リチウムイオン電池のエネルギー密度ではもはや十分ではなくなってきています。どのように対応すべきでしょうか？Mayank Jain氏は、将来的に使用される可能性のあるいくつかのバッテリー技術を検証しました。この記事は元々mediumに「バッテリー技術の未来」というタイトルで掲載されました。
地球はエネルギーに満ち溢れており、私たちはそのエネルギーを捉え、有効活用するためにあらゆる努力を尽くしています。再生可能エネルギーへの移行においては一定の成果を上げてきましたが、エネルギー貯蔵に関しては大きな進歩は見られていません。
現在、バッテリー技術の最高水準はリチウムイオン電池である。この電池は、最高のエネルギー密度、高い効率（約99％）、そして長い寿命を備えているようだ。
では、何が問題なのでしょうか？再生可能エネルギーの利用が拡大し続けるにつれて、リチウムイオン電池のエネルギー密度ではもはや十分ではなくなってきているのです。
電池はバッチ生産で継続できるため、これは大きな問題ではないように思えるが、問題はリチウムが比較的希少な金属であるため、コストが低いことではない。電池の生産コストは低下しているものの、エネルギー貯蔵の需要も急速に増加している。
リチウムイオン電池が製造されるようになれば、エネルギー産業に大きな影響を与える段階に達したと言えるでしょう。
化石燃料のエネルギー密度が高いことは紛れもない事実であり、これは再生可能エネルギーへの完全移行を阻む大きな要因となっている。我々には、人間の体重よりも多くのエネルギーを放出するバッテリーが必要なのだ。
リチウムイオン電池の仕組み
リチウムイオン電池の動作原理は、一般的な単3形や単4形などの化学電池と似ています。正極と負極の端子があり、その間に電解質が存在します。一般的な電池とは異なり、リチウムイオン電池の放電反応は可逆的であるため、繰り返し充電することができます。
正極（プラス端子）はリン酸鉄リチウム、負極（マイナス端子）はグラファイトでできており、グラファイトは炭素でできています。電気とは、電子の流れのことです。これらの電池は、正極と負極の間でリチウムイオンを移動させることによって電気を生成します。
充電されるとイオンは陽極へ移動し、放電されるとイオンは陰極へ移動する。
このイオンの移動は回路内の電子の移動を引き起こすため、リチウムイオンの移動と電子の移動は関連している。
シリコンアノード電池
BMWをはじめとする多くの大手自動車メーカーは、シリコン負極電池の開発に投資してきた。これらの電池は、通常のリチウムイオン電池と同様にリチウム負極を使用するが、炭素系負極の代わりにシリコンを使用している。
陽極として、シリコンはグラファイトよりも優れています。なぜなら、グラファイトはリチウムを保持するために4つの炭素原子を必要とするのに対し、シリコン原子1つは4つのリチウムイオンを保持できるからです。これは大きな進歩であり、シリコンはグラファイトの3倍の強度を持つことになります。
とはいえ、リチウムの使用は依然として諸刃の剣である。この材料は依然として高価だが、生産設備をシリコン電池に容易に移行できるという利点もある。電池の構造が全く異なる場合、工場全体を再設計する必要があり、切り替えの魅力が若干低下する可能性がある。
シリコンアノードは、砂を加工して高純度シリコンを生成することで作られるが、研究者たちが現在直面している最大の問題は、シリコンアノードが使用時に膨張することである。これにより、電池の劣化が早まる可能性がある。また、アノードの大量生産も困難である。
グラフェン電池
グラフェンは、鉛筆と同じ素材を用いた炭素片の一種ですが、グラファイトをフレークに付着させるのに多くの時間を要します。グラフェンは多くの用途で優れた性能を発揮することが評価されており、バッテリーもその一つです。
一部の企業は、数分でフル充電でき、リチウムイオン電池の33倍の速さで放電できるグラフェン電池の開発に取り組んでいる。これは電気自動車にとって非常に大きなメリットとなる。
発泡バッテリー
現在、従来の電池は二次元構造である。リチウム電池のように積み重ねられたものか、一般的な単三電池やリチウムイオン電池のように丸められたものかのどちらかである。
発泡体電池は、3次元空間における電荷の移動を利用した新しい概念である。
この3次元構造は充電時間を短縮し、エネルギー密度を高めることができる。これらはバッテリーにとって非常に重要な特性である。他のほとんどのバッテリーと比較して、発泡バッテリーには有害な液体電解質が含まれていない。
発泡電池は、液体電解質の代わりに固体電解質を使用する。この電解質はリチウムイオンを伝導するだけでなく、他の電子機器を絶縁する役割も果たす。
バッテリーの負電荷を保持する陽極は、発泡銅でできており、必要な活性物質でコーティングされている。
次に、陽極の周囲に固体電解質を塗布する。
最後に、いわゆる「正極ペースト」を用いて、バッテリー内部の隙間を埋める。
酸化アルミニウム電池
これらのバッテリーは、あらゆるバッテリーの中でも最大級のエネルギー密度を誇ります。そのエネルギーは、現在のリチウムイオンバッテリーよりも強力で軽量です。これらのバッテリーで電気自動車を2,000キロメートル走行させることができると主張する人もいますが、これは一体どういうことでしょうか？参考までに、テスラの最大航続距離は約600キロメートルです。
これらの電池の問題点は、充電できないことである。水系電解液中でアルミニウムと酸素が反応して水酸化アルミニウムを生成し、エネルギーを放出する。電池を使用すると、陽極としてアルミニウムが消費される。
ナトリウム電池
現在、日本の科学者たちはリチウムの代わりにナトリウムを用いた電池の開発に取り組んでいる。
これは大きな変革をもたらすだろう。なぜなら、ナトリウム電池は理論上、リチウム電池の7倍の効率を誇るからだ。もう一つの大きな利点は、ナトリウムは地球上の埋蔵量において6番目に豊富な元素であるのに対し、リチウムは希少元素であるということだ。
投稿日時：2019年12月2日