太陽光発電ドローン、リチウム硫黄電池で11日間連続飛行

今日の電子製品の広範な使用と新エネルギー車の急速な普及により、バッテリーのエネルギー密度が今ほど懸念された時代は過去になかったと言えるでしょう。

一般によく知られている三元リチウム電池のエネルギー密度は、300ワット時/キログラムに達することがあります。しかし、まだ技術が未熟で普及していないリチウム硫黄電池でも、600ワット時/キログラムのエネルギー密度を簡単に達成することができ、理論上のエネルギー密度は驚くほど高いのです。

国際電池材料協会が発表した「リチウム硫黄電池白書」では、リチウム硫黄電池の理論上のエネルギー密度は 2600 ワット時/キログラムであると指摘されています。

このような魅力的なエネルギー密度は、さまざまな国の技術者を惹きつけ、研究を行わせることになるでしょう。今年2月29日、中国国家自然科学基金は2023年の「中国科学の十大進歩」を発表し、リチウム硫黄電池の研究が選定された。今日はこのバッテリーを詳しく見てみましょう。

類似要素

研究中のさまざまな電池の中で、最もエネルギー密度が高いのはリチウム硫黄電池ではなく、リチウム空気電池です。理論上のエネルギー密度は3,500ワット時/キログラム以上と高く、リチウム硫黄電池よりもはるかに高い。

原理としては、リチウムを負極材料として使い、空気中の酸素を正極材料として使います。放電中、酸素は触媒の作用によりリチウムイオンと反応して過酸化リチウムを形成します。充電中、酸化リチウムは分解して酸素とリチウムイオンを形成します。

このタイプのバッテリーには、次のような多くの技術的な問題がまだ残っていることは間違いありません。

▶放電時に生成されたリチウム酸化物が堆積し、バッテリーの充放電効率を妨げます。

▶空気中の湿気や不純物によりバッテリーが腐食し、寿命が短くなります。

そのため、現在、研究室では「リチウム空気電池」を研究する際、「純酸素」環境で研究することが多いのです。将来的には成功するかもしれませんが、現時点ではリチウム空気電池は私たちが到達できるほど成熟した技術ではありません。

リチウム電池の正極に「酸素」を使うのは先進的すぎるので、もう少し現実的な材料はないでしょうか？もちろんありますよ。

元素周期表、画像はWikipediaより。

周期表では、リチウムとナトリウムは同じ元素グループに属し、化学的性質も似ています。そのため、現在ではリチウムイオン電池が広く普及しており、ナトリウムイオン電池も徐々に実用化されつつあり、将来性が期待されています。

元素周期表、画像はWikipediaより。

周期表では、酸素と硫黄も同じ元素グループに属しており、化学的性質も似ています。リチウム空気電池では「酸素」が正極として使用できるのと同様に、同じ族の元素である硫黄も電池の正極として使用できます。これがリチウム硫黄電池です。

リチウム硫黄電池の歴史

リチウム硫黄電池の研究は1960年代に始まりました。

1967年、ハーバートとウラムは、硫黄がリチウム電池の正極材料として使用できることを初めて提案しました。なお、今回提案された「リチウム硫黄電池」は、まだ一次電池、つまり使い捨て電池である。

1980 年代に、Plichta らは、リチウム硫黄電池の充電と放電のメカニズムを研究しました。

1990年代以降、リチウム硫黄電池の研究は大きく進歩し、エネルギー密度は増加し続けています。しかし、リチウム硫黄電池の安全性と経済性は比較的低いです。

2014年以降、リチウム硫黄電池は少量ながら試験応用段階に入り始めました。

大型ソーラードローンへの応用

写真は欧州のエアバス社が設計・製造した大型太陽光発電ドローン「ゼファー」シリーズ。写真はWikipediaから引用しました。

2014年、大型太陽光発電ドローン「ゼファー7」（別名ウェストウィンド7）は、リチウム硫黄電池を使用して11日間連続飛行しました。当時、シオンパワーが提供していたリチウム硫黄電池のエネルギー密度は、1キログラムあたり最大350ワット時でした。

エネルギー密度350Wh/kgは平均的なようですが、これは10年前の2014年のデータであることに注意する必要があります。当時は新エネルギー車が普及し始めたばかりで、当時使われていたリチウムイオン電池のエネルギー密度は今から考えると悲惨なほど低いものでした。

ゼファー7はリチウム硫黄電池を使用していますが、より新しい「ゼファーS」（別名「ゼファー8」）は、2022年に64日間の連続高高度飛行を達成しました。ただし、「ゼファー8」ではリチウム硫黄電池は使用されていません。これは、リチウム硫黄電池がまだ小規模な試験応用の段階にあることを間接的に示しています。

2020年には、韓国航空宇宙研究院が開発したリチウム硫黄電池を搭載した高高度ソーラードローン「EAV-3」が成層圏飛行試験に成功した。

EAV-3 ソーラー発電ドローン、画像は Wikipedia より。

2020年の今回の飛行試験で、EAV-3は最大飛行高度22キロメートルに到達しました。 13時間の飛行中、ドローンは高度12～22kmの成層圏を7時間安定して飛行した。

リチウム硫黄電池の利点

まとめると、リチウム硫黄電池はすでに小規模な試験応用段階にあることがわかります。従来のリチウムイオン電池と比較して、次の 2 つの主な利点があります。

1. リチウム硫黄電池の理論上のエネルギー密度は、従来のリチウムイオン電池をはるかに上回ります。

10 年前、リチウム硫黄電池は 350 ワット時/キログラムを達成しましたが、現在の従来のリチウムイオン電池はこのエネルギー密度を超えていません。

エネルギー密度は「質量エネルギー密度」とも呼ばれ、単位質量あたりのエネルギーを指します。例えば：

同じ質量の電池が 2 つのグループあります。電池グループ A のエネルギー密度は 200 Wh/kg、電池グループ B のエネルギー密度は 400 Wh/kg です。つまり、同じ使用環境では、バッテリー グループ B のバッテリー寿命はバッテリー グループ A の 2 倍になります。

高度2万メートル以上の極めて薄い空気中を飛行する大型の太陽光発電ドローンは、自身の重量が非常に懸念されます。そのため、初期の頃はリチウム硫黄電池の使用が試みられました。主な目的は、バッテリー パックを可能な限り軽量にしながら、エネルギー貯蔵容量を可能な限り大きくすることです。

黄色の硫黄が燃えると、血のように赤い液体に溶け、青い炎を発します。画像はWikipediaより。

2. リチウム硫黄電池の原料である「硫黄」は非常に安価で、世界中に豊富な埋蔵量があります。

将来、リチウム硫黄電池の技術が本当に成熟し、大規模に使用されるようになれば、硫黄の供給と価格に制限されなくなるでしょう。

インドネシアの火山から硫黄の塊を運ぶ男性。画像はWikipediaより。

リチウム硫黄電池の現状の問題点

元素硫黄と硫化リチウムの体積には大きな違いがあります。電池の還元反応で元素硫黄が「一硫化リチウム」に変化すると、体積が約80％膨張します。

▶ボリューム拡大

つまり、リチウム硫黄電池はサイズが大きくなるということです。前述の大型ソーラードローンであれば、サイズが大きいためバッテリー容量の増大にも十分耐えられる余裕があるため、問題ないだろう。

しかし、私たちがよく使う携帯電話や車の場合、特に携帯電話はバッテリーのサイズに制限があるため、少し頭を悩ませることになります。

▶シャトル効果

ボリュームの拡大は最大の難しさではありません。現在、リチウム硫黄電池の最大の技術的難点は「多硫化リチウムのシャトル効果」です。

リチウム硫黄電池の充電および放電プロセス中に、中間生成物である多硫化リチウムが電解液に溶解して電池の負極に移動し、リチウム金属と反応して新しい硫化リチウムを生成します。このプロセスは「リチウムポリサルファイドシャトル効果」と呼ばれ、バッテリー容量が急速に低下し、サイクル寿命が短くなります。

リチウム硫黄電池の動作原理と「シャトル」効果。画像はWikipediaより。

最新の開発

現在の技術的な困難を解決するには、研究者がリチウム硫黄電池内部で起こる化学反応をより明確に理解し、的を絞って問題を解決する必要があります。

しかし、従来のその場顕微鏡研究技術の時間的および空間的解像度の低さとリチウム硫黄系の不安定性のため、これを達成するのは困難です。

2023年の「中国科学の10大進歩」の中で、厦門大学の廖宏剛、孫世剛、北京化工大学の陳建鋒は、高解像度の電気化学インサイチュー透過型電子顕微鏡技術を開発し、リチウム硫黄電池の界面反応の原子スケールの動的リアルタイム観察と研究を実現した。

さらに重要なことは、ほぼ 100 年にわたって、「電気化学的界面反応」は一般に、「内圏反応」と「外圏反応」の単一分子経路としてのみ存在すると信じられてきたことです。

今回、中国の研究者らの研究により、「電荷貯蔵凝集反応」という第3の経路の存在が明らかになった。

間違いなく、この新たな発見はリチウム硫黄電池の将来の設計に指針を与えることになるでしょう。

参考文献:

[1]https://sionpower.com/2014/sion-powers-lithium-sulfur-batteries-power-high-altitude-pseudo-satellite-flight/

著者：科学技術省の「国家優秀科学普及作品賞」受賞者であり、人気科学ライターのハンム・ディアオメン氏

査読者：張海軍、中国民用航空大学安全科学工学学院教授、天津応急管理学会副事務局長、プエルトリコ大学化学科博士研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社