リチウムイオン電池に代わる選択肢となるか？水系ヨウ素電池で1,000回充放電後も容量96％を維持

再生可能エネルギーの普及に伴い、発電量の変動を吸収する大規模蓄電池の需要が高まっている。現在広く使われているリチウムイオン電池には発火リスクや、コバルトなどの資源採掘に伴う環境負荷があり、水を溶媒とする水系電池が安全性の高い代替候補として研究されてきた。しかし、水系電池はエネルギー密度が比較的低く、実用化に向けた課題も多い。こうした中、University College London（UCL）などの研究チームは2026年11月11日、腐食性の高いハロゲン系電解液に頼らず、ヨウ素の4電子反応を可逆的に進める新たな電解液の設計手法を学術誌『Nature』に発表した（DOI: 10.1038/s41586-026-11282-0）。今回の成果は、ヨウ素電池の性能をどこまで改善し、実用化に向けてどのような課題を残しているのだろうか。

理論容量の倍増は何を意味し、先行研究と何が違うのか

ヨウ素を正極に用いる水系金属ヨウ素電池は、リチウムイオン電池のように結晶格子へイオンを出し入れするのではなく、ヨウ素の酸化状態を変化させることで電荷を蓄える。従来の研究の多くは、ヨウ化物イオン（${\mathrm{I}}^{-}$）と単体ヨウ素（${\mathrm{I}}^0$）の間で起こる2電子反応を利用してきた。この反応におけるヨウ素の理論容量は211 mAh g${}^{-1}$で、酸化還元電位は標準水素電極（SHE）基準で0.54 Vとなる。

これに対し、ヨウ素をさらに酸化して1価のヨウ素カチオン（${\mathrm{I}}^{+}$）まで変化させる${\mathrm{I}}^{-}/{\mathrm{I}}^0/{\mathrm{I}}^{+}$の連続反応、すなわち4電子反応を利用できれば、ヨウ素の理論容量は422 mAh g${}^{-1}$へと倍増する。さらに、${\mathrm{I}}^0/{\mathrm{I}}^{+}$の酸化還元反応は標準水素電極基準で1.07 Vという高い電位を持つため、電池の作動電圧を高める効果も期待できる。ただし、211 mAh g${}^{-1}$から422 mAh g${}^{-1}$への増加は、あくまで正極活物質であるヨウ素の質量を基準とした理論容量の比較だ。電解液や負極、外装材などを含む電池全体のエネルギー密度（Wh kg${}^{-1}$）が2倍になったことを意味するわけではない。

水系電池でヨウ素の4電子反応を利用する試み自体は、今回が初めてではない。2021年の『Nature Communications』に掲載された研究では、塩化物を含む電解液を使った亜鉛ヨウ素（$\mathrm{Zn}-{\mathrm{I}}_2$）電池で4電子反応を実現し、550 mAh g${}^{-1}$の比容量が報告されている。この値が422 mAh g${}^{-1}$という理論容量を上回るのは、炭素担体による電気二重層容量の寄与も含まれているためだ。また、2024年の『Inorganic Chemistry Frontiers』に掲載された研究では、塩化物を使わず、ベタイン、ニコチンアミド、硫酸亜鉛を組み合わせた電解液によって4電子反応を実現し、355.5 mAh g${}^{-1}$の比容量を報告している。

今回のUCL主導の研究が従来と異なるのは、単にハロゲン化物塩を使わない電解液を開発したことではない。KA–PA–Nucフレームワークと呼ぶ設計手法を確立し、電極界面の環境制御とヨウ素カチオンの分子レベルでの安定化を組み合わせることで、可逆的な4電子反応を実現した点に特徴がある。研究チームは、この仕組みが4種類の求核種（Nuc）で機能することを確認し、$\mathrm{Zn}-{\mathrm{I}}_2$電池に加えてアルミニウムヨウ素（$\mathrm{Al}-{\mathrm{I}}_2$）電池でも動作を実証した。

対象となる手法・基準	電解液とヨウ素の反応	報告された数値	根拠の範囲と制約
従来の2電子反応	水系電解液での${\mathrm{I}}^{-}/{\mathrm{I}}^0$変換	211 mAh g${}^{-1}$、0.54 V（vs. SHE）	ヨウ素質量あたりの理論容量であり、電池全体のエネルギー密度ではない
2021年の先行研究（Nature Communications）	塩化物を含む電解液での4電子反応	550 mAh g${}^{-1}$（実測値）	高濃度の塩化物塩に依存し、炭素担体の容量寄与も含む
2024年の先行研究（Inorganic Chemistry Frontiers）	ベタイン、ニコチンアミド、硫酸亜鉛を用いた塩化物フリーの電解液	355.5 mAh g${}^{-1}$（実測値）	特定の添加剤の組み合わせによる実験室レベルの成果
今回の研究（Nature、2026年）	KA–PA–Nuc電解液での${\mathrm{I}}^{-}/{\mathrm{I}}^0/{\mathrm{I}}^{+}$変換	422 mAh g${}^{-1}$（理論値）、高電位側の反応は1.07 V（vs. SHE）	実験室セルで4電子反応を実証したが、電池全体のエネルギー密度や商用寿命は未検証

これらの数値を比較する際には、理論容量と実測容量を区別する必要がある。今回の研究の重要性は、従来の理論容量を超えたことではなく、4電子反応を繰り返し利用するための電解液設計に、新たな仕組みを示したことにある。

水中で不安定なヨウ素カチオンを3つの成分でどう守るのか

4電子反応に必要な${\mathrm{I}}^{+}$は電子が不足しており、極めて高い求電子性を持つ。そのため、水系電解液中で生成されると水分子による求核攻撃を受けやすく、加水分解によって失われてしまう。これが反応の可逆性を損ない、安定した充放電を難しくする大きな原因となっていた。

従来の4電子ヨウ素電池では、この加水分解を抑えるため、高濃度の塩化物や臭化物を含む電解液が使われてきた。塩化物イオン（${\mathrm{Cl}}^{-}$）や臭化物イオン（${\mathrm{Br}}^{-}$）を豊富に存在させ、${\mathrm{I}}^{+}$と結びつけて$\mathrm{IC}{\mathrm{l}}_2$や$\mathrm{IB}{\mathrm{r}}_2$などのハロゲン間錯体を形成し、水との反応を防ぐ仕組みだ。しかし、こうした電解液には大量の塩が必要で、腐食性や材料コストが実用化の障害となる。今回の研究では、塩化物や臭化物などのハロゲン化物塩を添加せずに${\mathrm{I}}^{+}$を安定化する方法が検討された。ここでいう「ハロゲンフリー」とは、正極活物質のヨウ素を使わないという意味ではなく、従来の安定化に必要だったハロゲン化物塩に依存しないことを指す。

研究チームが開発したKA–PA–Nucフレームワークは、3種類の成分に異なる役割を持たせている。第一の成分である**極性アニオン（PA）**は、電極と電解液の界面に集まり、アニオン濃度が高く、水分子が少ない局所環境を作り出す。これにより、水分子が電極表面の反応に関与する機会を減らし、${\mathrm{I}}^{+}$の加水分解を抑制する。電解液全体から水を取り除くのではなく、反応が起こる界面付近の水分子を減らすことが、この仕組みの特徴だ。

第二の成分は、硫酸イオン（$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$）に代表される**コスモトロピックアニオン（KA）**である。KAは水分子の水和構造に影響を与え、求核種と水分子の間に形成される水素結合を弱める。これにより、水分子との相互作用に束縛されていた求核種が${\mathrm{I}}^{+}$と結びつきやすくなる。つまり、KAは電解液中の水分子と求核種の関係を調整し、ヨウ素カチオンの安定化を助ける役割を担う。

第三の成分である**求核種（Nuc）**は、${\mathrm{I}}^{+}$と結びつき、直線状の$\mathrm{Nuc}-{\mathrm{I}}^{+}-\mathrm{Nuc}$という構造をハロゲン結合によって形成する。この結合が、従来のハロゲン間錯体に代わって${\mathrm{I}}^{+}$を安定化させる。$\mathrm{Zn}-{\mathrm{I}}_2$電池の実験では、KA源として1.5 Mの硫酸亜鉛（$\mathrm{ZnS}{\mathrm{O}}_4$）、PA源として0.5 Mの酢酸亜鉛（$\mathrm{Zn}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COO}{)}_2$）を使用した。その上で、尿素（2 M）、アセトアミド（2 M）、ニコチンアミド（0.4 M）、ピリジン（0.2 M）の4種類を求核種として個別に添加し、それぞれの条件で反応を検証した。

対照実験、分光測定、計算科学が裏づける反応メカニズム

研究チームは、3種類の成分がどのように作用するのかを確かめるため、対照実験、分光測定、分子シミュレーションを組み合わせて分析した。まず、尿素を求核種とした実験では、KAと尿素だけを組み合わせた場合、${\mathrm{I}}^{-}/{\mathrm{I}}^0$の2電子反応しか観測されなかった。一方、PAと尿素を組み合わせた場合には、高い電位で${\mathrm{I}}^0/{\mathrm{I}}^{+}$の酸化反応も起きたが、可逆性は低かった。研究チームは、この条件で第2充電プラトーに現れた過剰な容量について、不可逆的なヨウ素の酸化と、望ましくない水の酸化反応が同時に起きたためと解釈している。

これに対して、KA、PA、尿素をすべて含む電解液では、2組の可逆的な酸化還元ピークと、それに対応する明確な充放電プラトーが確認された。同様の結果は、尿素をアセトアミド、ニコチンアミド、ピリジンに置き換えた場合にも得られており、電解液のイオン強度を揃えた比較でも4電子反応の可逆性が確認されている。さらに、求核種を含まない対照実験、核磁気共鳴（NMR）分光法、理論計算から、$\mathrm{Nuc}-{\mathrm{I}}^{+}-\mathrm{Nuc}$の形成による安定化メカニズムが支持された。

PAの種類による違いも詳しく調べられた。トリフルオロメタンスルホン酸イオン（$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_3\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3^{-}$）では${\mathrm{I}}^0/{\mathrm{I}}^{+}$変換がほとんど起こらず、トリフルオロ酢酸イオン（$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_3\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$）では酸化反応こそ確認されたものの、可逆性は限定的だった。これに対し、酢酸イオン（$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$）は最も可逆性が高く、安定した反応を示した。分子動力学シミュレーションと、その場測定による全反射減衰赤外分光法（in situ ATR-IR）の結果も、酢酸イオンが電極界面の水分子とアニオンの分布を変化させるという説明を支持している。

さらに、in situ紫外可視（UV-vis）分光法とマイクロCT（コンピュータ断層撮影）による観察から、酢酸イオンによる界面制御がヨウ素を電極内部に保持し、電解液中への流出を抑えることも示された。また、KAとして働く硫酸イオンが求核種と水分子の水素結合を弱める効果についても、NMR測定と分子シミュレーションによって裏づけられている。充放電中に$\mathrm{Nuc}-{\mathrm{I}}^{+}-\mathrm{Nuc}$が可逆的に生成・変化する様子は、in situラマン分光法によって追跡された。こうした複数の測定結果は、3成分が相互に作用して4電子反応を安定化させるという説明を支持するものだ。ただし、分子動力学シミュレーションや理論計算は主に反応メカニズムの解釈を支えるものであり、それだけで電池の実用性能が証明されたわけではない。

実験室セルで確認された寿命と、パウチセルに残る未定量の条件

新しい電解液の性能は、コインセルやパウチセルなどの実験室規模の電池で評価された。研究チームによると、$\mathrm{Zn}-{\mathrm{I}}_2$電池は電流密度1 A g${}^{-1}$の条件で1,000回の充放電後も容量の96%を維持し、別の試験では2 A g${}^{-1}$で2,000サイクル後に94%の容量維持率を記録した。また、正極面積あたりのヨウ素担持量を12.2 mg cm${}^{-2}$まで高めた条件でも、4電子反応が維持されたと報告している。ただし、これらの容量維持率について、比較の基準となる容量の絶対値は論文本文では明示されておらず、維持率だけから電池全体の蓄電性能を判断することはできない。

研究チームは、異なる集電体やセル構成への適用可能性も検証した。$\mathrm{Al}-{\mathrm{I}}_2$電池でも4電子反応を確認したが、この実験で使われた負極は純粋なアルミニウム金属ではなく、アルミニウムと亜鉛の合金（Al–Zn）だった。したがって、アルミニウム金属負極を使った電池でも同等の性能が得られると確認されたわけではない。

より大きなセルでの動作を確かめるため、容量1.1 Ahのパウチセルも試作された。このセルには、ヨウ素担持量10 mg cm${}^{-2}$、大きさ10×15 cmの両面塗工ヨウ素正極2枚と、厚さ70 µmの亜鉛負極3枚が組み込まれている。測定時にはセルの膨張などを抑えるため、専用の治具によって機械的に拘束されたが、論文のMethods（実験方法）には加えた圧力の具体的な数値が示されていない。拘束圧力はセル内部の接触状態や充放電特性に影響し得るため、今後の再現試験や大型化に向けて明確にすべき条件の一つとなる。

また、96%や94%という容量維持率は実験室セルで得られた結果であり、論文本文には信頼区間などの統計的なばらつきも示されていない。今回の研究は、さまざまな条件で電解液の有効性を確認した点に価値があるものの、これらの数値をそのまま商用電池の寿命保証に結びつけることはできない。

劣化要因とコスト削減の可能性、実用化に向けた課題

4電子反応の可逆性は大きく改善されたが、長期間の充放電で生じる劣化がすべて解消されたわけではない。研究チームが反応メカニズムと試験後の電池内部を分析したところ、見かけ上のクーロン効率の低下や容量減衰には、活物質として利用できるヨウ素の総量が可逆的、あるいは不可逆的に失われる現象が関係していた。特に、ヨウ素担持量を増やした条件では不可逆的な損失がより顕著になっている。したがって、${\mathrm{I}}^{+}$の安定化だけでなく、充放電を通じてヨウ素を電池内部に保持し、有効な活物質として利用し続けることも重要になる。

論文では、今回の電解液設計によるコスト削減の可能性も検討されている。ただし、これは実際に製造した電池のコストを測定した結果ではなく、高濃度のハロゲン系電解液や高価な集電体を不要にできることなどを前提に、標準化されたモデルで算出した技術経済分析（TEA）である。研究チームが実証したのは、主に実験室環境での電気化学的な性能と反応メカニズムだ。大規模蓄電設備への系統連系、商用製品としての長期寿命、火災リスクを含む安全性の比較試験などは、今回の研究の対象に含まれていない。

今回の成果は、2025年5月28日に別のタイトルでResearch Squareにプレプリントとして公開された研究（DOI: 10.21203/rs.3.rs-6372434/v1）が、査読を経て2026年11月11日に『Nature』へ掲載されたものだ。UCLの2026年11月13日付の公式発表によると、研究は英国研究・イノベーション機構（UKRI）が保証する欧州研究会議（ERC）のStarting Grantの支援を受けて実施された。

論文の筆頭著者であるUCL化学科のRuwei Chen氏は、ヨウ素電池の充電を可能にするには、反応に関わる化学種を安定化するだけでなく、水系電解液との相互作用や、充放電に伴うその変化を理解する必要があると説明している。また、責任著者のGuanjie He教授は、今後の課題として、より大きな規模での試験と、実際の運転条件における性能改善を挙げた。今回の研究は、腐食性の高いハロゲン化物塩に依存せず、水系ヨウ素電池の4電子反応を安定化させる新たな設計指針を示した成果といえる。今後は、高担持量でのヨウ素損失の抑制に加え、拘束圧力などのセル設計条件を明確にしながら、大型セルでも同じ反応の可逆性と寿命を維持できるかが実用化への重要な判断材料となる。