え、二酸化炭素を使って電池を作れるんですか？

制作：中国科学普及協会

著者: Tan Peng、Zhang Zhuojun (中国科学技術大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

近年、リチウムイオン電池の技術が徐々に成熟し、電気自動車が道路を疾走する姿を至る所で見かけるようになりました。電気自動車の航続距離は常に人々が注目する重要な指標です。それは、搭載されているリチウムイオン電池の蓄電容量によって直接決まります。

電気自動車産業は活況を呈している

（写真提供：Veer Gallery）

通常、バッテリーの電気を蓄える能力を評価するには、エネルギー密度の概念を使用します。エネルギー密度がリチウムイオン電池の7倍以上ある電池もあります。排出時に二酸化炭素を燃料として使い、二酸化炭素のエネルギーの一部を電気に変換して利用します。

このように、この魔法のバッテリーは、より多くの「電気エネルギー」を放出できるだけでなく、温室効果の原因である二酸化炭素を「リサイクル」し、「デュアルカーボン」の目標に積極的に対応し、一石二鳥と言えるでしょう。リチウム二酸化炭素電池です！

「エネルギー供給」と「デュアルカーボン」の目標達成

（写真提供：Veer Gallery）

私の国のエネルギー情勢

現在、わが国は新旧エネルギーの継続的な改革と発展を通じて、徐々に世界最大のエネルギー供給システムを形成し、石炭を主体とし、電気を中心に、石油、天然ガス、再生可能エネルギーを総合的に発展させるエネルギー供給パターンを確立しました。その中で、化石エネルギーは我が国のエネルギー供給の大部分を占めています。

化石燃料の燃焼は大量の廃ガス排出をもたらす

（写真提供：Veer Gallery）

私の国は、大規模な二酸化炭素排出によって引き起こされる温室効果を非常に重視しています。 「デュアルカーボン」目標をできるだけ早く達成するために、エネルギーのグリーン化と低炭素化をめぐる一連の政策と措置を策定した。一方で化石燃料の使用を減らし、他方で基本的なエネルギー需要を満たすために非化石エネルギーを使用する計画を立てます。効率的な技術的手段としての電気化学的エネルギー貯蔵は、社会から広く注目を集めています。

リチウムCO2電池とリチウムイオン電池

リチウム二酸化炭素電池の構造と動作原理は、私たちがよく知っているリチウムイオン電池とは多少異なります。リチウムイオン電池の正極材料は通常リチウム含有化合物であり、負極材料はグラファイトです。充電と放電は、リチウムイオンがグラファイトやリチウム含有化合物に埋め込まれたり放出されたりすることで実現されます。 1985年、ノーベル化学賞受賞者の吉野彰氏が、世界初の現代的なリチウムイオン二次電池を開発しました。ソニーは1991年に商用リチウムイオン電池の量産を開始しました。

市販のリチウムイオン電池モジュール

（写真提供：Veer Gallery）

同時に、より多くの機器や制約下での使用要件を満たすために、タラスコンなどのリチウム電池の先駆者たちはリチウム酸素電池の研究を始めました。リチウム酸素電池の正極には、緩い多孔質の導電性媒体（通常はガス正極と呼ばれる）が使用され、負極には金属リチウムが使用されます。

その動作プロセスは次のとおりです。放電プロセス中に、リチウムは電子を失ってリチウムイオンになり、リチウム負極から逃げて正極側に拡散します。ガス状酸素は電解質に溶解し、多孔質電極に拡散し、電解質と電極の界面で酸素還元反応が起こり、リチウムイオンと結合して固体生成物の過酸化リチウムを生成し、最終的に正極の細孔に蓄えられます。充電中、過酸化リチウムは分解して酸素を放出します。リチウムイオンは電子を獲得し、負極の表面に堆積します。

リチウム酸素電池における物質移動と反応プロセスの模式図

（画像提供：中国科学技術大学のタン・ペン研究グループ）

研究者たちは、酸素が活性物質として使えるのであれば、他のガスでも同じことができるのではないかと考えました。その後のリチウム二酸化炭素電池はリチウム酸素電池をベースに開発され、リチウム酸素電池と似た構造を持っています。放電により生成される固体生成物は炭酸リチウムと炭素であり、エネルギー供給と炭素固定を同時に実現します。

リチウム二酸化炭素電池の構造と動作原理の概略図

（画像提供：中国科学技術大学のタン・ペン研究グループ）

エネルギー貯蔵の目的を達成するためには、二次的な電気化学的再充電性を実現する必要があります。リチウム二酸化炭素電池の充電プロセスは、炭酸リチウムと炭素の分解プロセスと、リチウムの堆積プロセスです。ただし、CO2 バッテリーで炭素を固定し続ける場合は、充電する必要はありません。炭酸リチウムは分解すると二酸化炭素を発生するため、固定された炭素は環境に戻ります。

では、充電不要のリチウム二酸化炭素電池をどうやって実現するのでしょうか?理想的な方法は、電解質を流動させることです。反応プロセスを制御することにより、流れる電解液は放電中に生成された固体生成物または中間生成物をバッテリー システムから運び出し、事前に準備されたタンクに保管することができます。ガス正極には固体生成物が蓄えられていないので、充電する必要がありません。これは反応原理によって決まるため、リチウムイオン電池ではできないことです。

二酸化炭素を置き換えることは困難です。

リチウム二酸化炭素電池の開発への道のりは決して平坦なものではなかった。このバッテリーは理論上のエネルギー密度は高いですが、実際のエネルギー密度は比較的限られています。エネルギー密度の計算方法は非常に簡単です：理論的な比容量（mAh/g）×理論的な電圧（V）いずれかの項目が理論値に達しない場合、エネルギー密度は低下します。

私たちは日常生活において、二酸化炭素の不活性な性質をよく知っています。これは非常に安定した分子であり、消火器の主成分として、または果物、野菜、肉の酸化や呼吸器による消耗を抑えるための保管および輸送中の保護ガスとして使用できます。

リチウム二酸化炭素電池の理論上の電圧は熱力学的には 2.8 V であるにもかかわらず、実際の放電電圧損失が非常に大きいのは、二酸化炭素の安定した不活性性質のためです。私のグループの研究者は、リチウム二酸化炭素電池の実際の電圧は通常約 1.1 V であり、リチウム酸素電池 (> 2.5 V) と同様の高電圧を生成することが困難であることを発見しました。

リチウムCO2電池も寿命が短いという問題に直面しています。炭素固定に関しては、電解質の流動を実現することでバッテリーシステムから一部の固体生成物を除去できますが、それでも電極表面に堆積するのを防ぐことはできず、電極が徐々に不動態化するにつれて炭素固定効果も低下します。

エネルギー貯蔵のために、炭酸リチウムと炭素が多孔質電極内に固体の形で固定されます。バッテリーを充電した後、炭酸リチウムの一部は完全に分解することが困難です。時間が経つにつれて、電極内部の細孔が徐々に塞がれて物質の移動が遅くなり、炭酸リチウムが空気電極の表面を覆い、電子伝導が困難になり、充電電圧が高くなり（> 4.0 V）、電解質と電極材料が分解します。

新しいバッテリー、新しい未来

問題はたくさんあるが、解決策は必ずある。私の研究グループは、空気成分を切り離すことでリチウム二酸化炭素電池の放電電圧を調整する方法を研究し、その電圧テストの長期的な不安定性の理由を説明しました。

研究では、二酸化炭素に1%の酸素と500ppm（百万分の一）の水を混ぜると、電圧が約2.0Vまで上昇し、エネルギー密度も2倍になることがわかった。酸素と水の導入により炭酸リチウムの形成経路が変化し、エネルギー障壁が低下します。炭酸リチウムの形態と結晶形も大きく変化し、電極の不動態化現象が緩和されるため、電極はより多くの反応および物質吸着の活性部位を提供できるようになり、電気化学反応プロセスが加速されます。この研究は、次世代のリチウム二酸化炭素電池の開発と応用の方向性を再構築します。

リチウム二酸化炭素電池の実用化をできるだけ早く実現するためには、科学研究において以下の努力をする必要がある。まず、リチウム酸素電池に関するこれまでの研究や経験を模倣するのではなく、純粋な二酸化炭素環境でのメカニズム研究を行い、二酸化炭素削減に真に適した部品（触媒、電解質、電極など）を開発すること。一方、ガス補助（酸素、水、一酸化炭素など）二酸化炭素電池の反応メカニズムと伝達プロセスについて詳細な研究を行い、システムにおける補助ガスの役割を明らかにします。

他のガス支援研究戦略の使用は、バッテリーの性能を向上させるだけでなく、より複雑なガス環境でのリチウム二酸化炭素バッテリーの応用を促進することもできます。例えば、産業廃ガスには二酸化炭素やその他のガスが多量に含まれています。二酸化炭素電池は炭素を固定しながら電気を生成するために使用することができます。火星の大気には極めて高濃度の二酸化炭素が含まれているため、二酸化炭素は火星探査車の「燃料」として利用され、電気を出力することができます...

火星探査車はガスアシスト二酸化炭素電池を搭載する予定

（写真提供：Veer Gallery）

おそらく近い将来、この新しいバッテリー会社が大規模な廃ガス処理や深宇宙探査でその実力を発揮するのを見ることができるでしょう。

結論

「デュアルカーボン」目標の達成に向けて、エネルギー問題の解決は最も重要な開発方向の一つです。リチウム二酸化炭素電池はエネルギー貯蔵と炭素固定の特性を備えているため、エネルギー問題において重要な役割を果たすことができます。今後、「デュアルカーボン」を支える科学技術革新がさらに進むでしょう。中国の科学者たちは革新の道を切り開いてきたと信じなければなりません。

注：本論文の関連結果は、タン・ペン教授の指導の下、ポスドク研究員のシャオ・シューと博士課程の学生のチャン・ジュオジュンによって完成され、国際学術誌「米国科学アカデミー紀要（PNAS）」にオンラインで公開されました。

編集者：孫晨宇