中国の復旦大学（Fudan University）の研究チームが、リチウムイオン電池の寿命を従来の約6倍にあたる最大12,000充電サイクルまで延長できる画期的な技術を開発した。科学誌『Nature』に発表されたこの「リチウム注入」技術は、劣化したバッテリーに特殊な化合物を注入することで新たな命を吹き込むもので、スマートフォンから電気自動車まであらゆる機器の持続可能性を高める可能性を秘めた画期的なものだ。
バッテリー「治療薬」として機能する特殊リチウム化合物
リチウムイオン電池は、スマートフォンから電気自動車まで、現代社会の様々なテクノロジーを支える重要なエネルギー源である。しかし、充放電を繰り返すうちに劣化し、性能が低下するという課題がある。主な劣化要因は、固体電解質界面（SEI）層の成長、電極の劣化、電解質の分解などだ。これらの要因により、リチウムイオンが消費され、電池の抵抗が増加し、容量が低下する。
従来の対策としては、劣化した電池を交換するしかなかった。しかし、中国・復旦大学の研究チームは、この問題に対する革新的な解決策として、劣化した電池を「治療」するというコンセプトのもと、劣化した電池にリチウムを補充する「リチウム注入」技術を開発した。この技術は、AIと有機電気化学を活用し、特殊なリチウム化合物を用いることで実現されたという。
復旦大学Gao Yue教授とPeng Huisheng教授が率いる研究チームは、4年の研究の末、「トリフルオロメチルスルホン酸リチウム」（LiSO₂CF₃）という理想的な物質を特定した。
研究チームはこの白い粉末状の機能性塩を「リチウムイオンバッテリーの精密治療薬」と表現している。このアプローチは従来のバッテリー設計の原則から大きく脱却したものだ。
AIと有機電気化学が生み出す「リチウム注入」技術
研究チームは、AIと有機電気化学を駆使し、電池内部の適切な電圧条件下でリチウムを放出する特殊なリチウム化合物「トリフルオロメチルスルホン酸リチウム（LiSO₂CF₃）」を開発した。この化合物は、電解質に溶解しやすく、電池の既存環境を損なわずに反応し、様々な活物質や電解質との高い適合性を持つ。
リチウム注入プロセスの仕組みは以下の通りだ：
- 劣化したバッテリーにトリフルオロメチルスルホン酸リチウムを含む電解質溶液を注入する
- 適切な電圧を加えると、この化合物が分解され、新鮮なリチウムイオンが放出される
- 放出されたリチウムイオンは電極材料に再統合され、バッテリーの失われた容量を回復させる
- 同時に、分解過程で生じる二酸化硫黄（SO₂）、トリフルオロメタン（HCF₃）、ヘキサフルオロエタン（C₂F₆）などのガス状副産物は、適切に設計されたバッテリーから自然に排出される
この技術を用いることで、研究チームは、15%の容量を失ったリン酸鉄リチウム電池の容量をほぼ完全に回復させることに成功した。
驚異的な数値で証明される寿命延長効果
Gao Yue教授によると、この技術を適用した市販のリチウム鉄リン酸バッテリーは、11,818充電サイクル後でも性能低下がわずか4%に留まったという。これは従来の技術では考えられない数値だ。
「電気自動車が1日2回充電する場合、このバッテリーは最大18年持続する可能性があります。比較すると、現在のEV用バッテリーは同じ充電頻度で2.7年経過すると性能が30%も低下してしまいます」と高教授は中国中央テレビ（CCTV）の取材に答えている。
従来の電気自動車のバッテリーの寿命は約1,500充電サイクルとされており、この新技術は寿命を8倍に延ばす計算になる。実用面で考えると、現在のEVバッテリーが数年で大幅な劣化を示すのに対し、この技術を採用したバッテリーは10年以上にわたって高性能を維持できる可能性がある。研究チームは、リチウムイオン電池の寿命を、限界に達するまで12,000～60,000サイクルに延長できる可能性があると考えている。
この技術は、大型エネルギー貯蔵システムにおいても、高価なバッテリーパックの投資収益率を最大化するために有効であると考えられる。リチウム補充のオプションを持つことで、コスト削減だけでなく、環境負荷の低減にも貢献する可能性がある。
実用化への課題と展望：持続可能なバッテリー業界へ
リチウム注入技術は、電池寿命を大幅に延長する画期的な技術だが、実用化にはいくつかの課題も存在する。まず、リチウム注入プロセスには、リチウム化合物注入機構とガス抜き機構を組み込んだ特殊な電池設計が必要となる。これは、標準的な密閉型電池と比較して、構造の複雑化と追加スペースを必要とする。
また、この技術が、スマートフォンやノートパソコンなどの一般的な消費者向けデバイスのリチウムイオン電池にも同様に有効かどうかは不明だ。これらのデバイスで使用されるリチウムイオン電池は、異なるリチウム化学物質を使用しており、今回の技術が最適に機能しない可能性がある。
しかし、大規模なユーティリティストレージ設備など、コスト効率が重視される用途においては、リチウム補充オプションは非常に魅力的だ。バッテリーの長寿命化は、電子廃棄物の削減、リチウム採掘による環境負荷の低減にも繋がり、より持続可能なバッテリー業界の実現に貢献するだろう。研究チームは現在、リチウムキャリア分子の生産規模を拡大しており、商業化に向けて、国際的な大手バッテリー企業との連携を加速させている。
XenoSpectrum’s Take
今回の復旦大学の研究チームによるリチウム注入技術は、リチウムイオン電池の寿命を劇的に改善する可能性を示す、非常に革新的な成果と言える。特に、AIと有機電気化学を融合させ、特定の化合物を用いることで、劣化した電池の容量を回復させるというアプローチは独創的だ。
電気自動車の普及が加速する中で、バッテリーの寿命とコストは依然として大きな課題である。この技術が実用化されれば、バッテリー交換の頻度を大幅に減らし、EVの経済性を向上させるとともに、バッテリー廃棄量の削減にも貢献するだろう。また、エネルギー貯蔵システムへの応用も期待でき、再生可能エネルギーの普及を後押しする可能性もある。
ただし、実用化には、特殊な電池設計や製造プロセスの確立、安全性や信頼性の検証など、多くのハードルが存在する。特に、ガス抜き機構の設計や、様々な電池化学物質への適用可能性については、さらなる研究開発が必要となるだろう。
それでも、この技術は、バッテリー業界におけるパラダイムシフトを起こす可能性を秘めている。今後は、研究チームとバッテリー企業との連携を通じて、早期の実用化と量産化が実現することを期待したい。
論文
参考文献
- South China Morning Post: Chinese scientists develop ‘injection’ to make smartphone and EV batteries last longer
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