ポハン工科大学校(POSTECH)のスージン・パーク教授とドン・ヨブ・ハン博士が率いる韓国の共同研究チームは、アノードフリー・リチウム金属バッテリーで1,270Wh/Lの体積エネルギー密度を達成した。この値は、現在の電気自動車用リチウムイオン電池の約650Wh/Lの約2倍である。研究には、KAISTのナム・スーン・チェ教授とセフン・キム博士、慶尚国立大学校のテ・ギョン・リー教授とジュンス・ソン研究員が参加した。
アノードフリー・リチウム金属バッテリーは従来の負極を排除し、リチウムイオンが充電時に銅の集電体に直接堆積する構造を持つ。研究チームは、銀ナノ粒子を埋め込んだポリマー骨格による可逆性ホストと、Li₂OとLi₃Nの保護層を形成する設計電解質を組み合わせた。このシステムは、4.6mAh cm⁻²の面積容量と2.3mA cm⁻²の電流密度で、100サイクル後に初期容量の81.9%を保持し、平均クーロン効率99.6%を達成した。成果は『Advanced Materials』誌に掲載された。
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Anode-free battery can double electric vehicle driving range
【編集部解説】
今回のアノードフリー・リチウム金属バッテリーの発表は、電気自動車業界にとって極めて重要な意味を持ちます。現在の電気自動車用リチウムイオン電池の体積エネルギー密度は約650Wh/Lですが、今回達成された1,270Wh/Lという数値は、まさにその約2倍に相当します。これは単なる実験室レベルの成果ではなく、実際の電気自動車に近いパウチ型セルで検証された点が注目に値します。
アノードフリー設計とは、従来のバッテリーから負極(アノード)を完全に取り除く構造のことです。通常のリチウムイオン電池では、グラファイト製の負極がリチウムイオンの受け皿として機能しますが、この構造は多くのスペースを占有しながらエネルギー貯蔵には直接貢献しません。アノードを排除することで、同じ容積により多くのエネルギーを詰め込めるようになります。
しかし、このアプローチには深刻な技術的課題がありました。リチウムが不均一に堆積すると「デンドライト」と呼ばれる針状の結晶構造が成長し、内部でショートを引き起こす危険性があるのです。デンドライト問題は、リチウム金属バッテリーの商業化を長年阻んできた最大の障壁の一つでした。
今回の研究チームは、この問題に対して二重のアプローチで挑みました。一つ目は「可逆性ホスト」と呼ばれる、銀ナノ粒子を均一に分散させたポリマー骨格です。これがリチウムの堆積場所を制御し、秩序だった成長を促します。二つ目は「設計電解質」で、リチウム表面にLi₂OとLi₃Nからなる保護層を形成し、デンドライトの成長を抑制しながらイオン輸送を維持します。
この技術が実用化された場合、電気自動車の航続距離は理論上2倍になる可能性があります。現在400kmの航続距離を持つ車両が、同じバッテリーサイズで800km走行できるようになるか、あるいは同じ航続距離をより軽量・コンパクトなバッテリーで実現できるようになります。これは電気自動車の最大の課題である「航続距離不安」を大幅に軽減する可能性を秘めています。
ただし、商業化にはまだ課題が残されています。100サイクル後の容量保持率81.9%という数値は優れた成果ですが、自動車業界が求める基準は通常1,000サイクル以上です。また、研究では市販の溶媒を使用しているとのことで、製造コストの面では有利ですが、大量生産時の再現性や長期的な安全性の検証も必要となります。
韓国は国家戦略として次世代バッテリー技術に2025年後半に約2,800億ウォン(約191億円相当)の投資パッケージを発表しており、今回の研究もその一環です。中国や日本との技術競争が激化する中、この成果は韓国のバッテリー産業における競争力を示すものと言えるでしょう。
【用語解説】
アノードフリー・リチウム金属バッテリー
従来のバッテリーから負極(アノード)を完全に排除した構造のバッテリー。リチウムイオンが充電時に銅の集電体に直接堆積する。不要な部品を取り除くことで、同じ容積により多くのエネルギーを貯蔵できる。
体積エネルギー密度(Wh/L)
単位体積あたりに貯蔵できるエネルギー量を示す指標。数値が高いほど、同じサイズのバッテリーでより多くのエネルギーを蓄えられる。現在の電気自動車用バッテリーは約650Wh/L、今回の研究では1,270Wh/Lを達成した。
デンドライト
リチウムが不均一に堆積する際に形成される針状の結晶構造。内部セパレーターを貫通してショートを引き起こし、発火や爆発の危険性をもたらす。リチウム金属バッテリーの商業化を阻む最大の障壁の一つ。
可逆性ホスト(RH)
銀ナノ粒子を均一に分散させたポリマー骨格構造。リチウムの堆積場所を制御し、ランダムではなく指定された位置に秩序だって堆積させる役割を果たす。
設計電解質(DEL)
リチウム表面にLi₂O(酸化リチウム)とLi₃N(窒化リチウム)からなる薄く頑丈な保護層を形成する特殊な電解質。デンドライトの成長を抑制しながら、リチウムイオンの輸送経路を維持する。
クーロン効率
充電時に注入した電荷量に対する、放電時に取り出せる電荷量の割合。99.6%という数値は、充電したエネルギーのほぼ全てを取り出せることを意味し、バッテリーの効率性を示す重要な指標。
パウチ型バッテリー
薄いアルミニウムフィルムで電極と電解質を包んだ袋状のバッテリー。実際の電気自動車に使用される形式に近く、実験室の小型セルよりも商業化への実現可能性が高い。
面積容量(mAh cm⁻²)
単位面積あたりの電荷容量を示す指標。4.6mAh cm⁻²という高い値は、限られた面積で多くのエネルギーを貯蔵できることを意味する。
集電体
バッテリー内で電流を集めて外部回路に流す役割を持つ金属箔。アノードフリー設計では、銅箔の集電体がリチウムの直接堆積先となる。
【参考リンク】
ポハン工科大学校(POSTECH)(外部)
韓国の理工系大学。今回の研究を主導したパーク教授とハン博士が所属する化学科を擁する。
韓国科学技術院(KAIST)(外部)
1971年設立の韓国を代表する科学技術系大学。チェ教授とキム博士が今回の共同研究に参加。
慶尚国立大学校(GNU)(外部)
1948年設立の韓国の国立総合大学。リー教授とソン研究員が材料工学分野で研究を行う。
Advanced Materials誌(外部)
ドイツWiley社発行の材料科学分野の査読付き学術誌。先端材料研究の主要な発表媒体。
Tech Xplore(外部)
科学技術ニュース専門のオンラインメディア。査読済み研究に基づいた記事を提供している。
【参考記事】
New anode-free battery promises to double EV range in same size(外部)
1,270Wh/Lの達成が650Wh/Lの約2倍であること、デンドライト問題への対処法を解説。
South Korean Team Unveils 1,270 Wh/L Anode-Free Lithium Metal Battery(外部)
韓国政府の2,800億ウォン投資情報を含み、パウチセル形式での世界記録級の数値と指摘。
Lithium-Ion Battery Energy Density: Wh/kg, Wh/L & EVs(外部)
現在の商用電池が300-700Wh/Lであり、1,270Wh/Lがいかに画期的かを示す基準情報。
Battery Energy Density 2025: State of the Art & Next-Gen Tech(外部)
2025年時点でのバッテリー技術の現状と次世代技術の課題を包括的に分析した記事。
Progress and Challenges for Energy-Dense and Cost-Effective Anode-Free Lithium Metal Batteries(外部)
アノードフリー電池の電解質最適化、デンドライト抑制技術を学術的に詳述した専門論文。
Synergistic Coupling of Host and Electrolyte Achieving 1270 Wh L−1 in Anode‐Free Lithium Metal Batteries(外部)
今回の研究成果を発表した原著論文。クーロン効率99.6%などの詳細データを掲載。
【編集部後記】
電気自動車の航続距離が2倍になる未来は、私たちの移動や暮らしをどう変えていくでしょうか。デンドライト問題という長年の課題に挑んだ今回の研究は、バッテリー技術が新たな局面を迎えていることを示しています。ただし、100サイクルから実用レベルの1,000サイクル以上へ、まだ乗り越えるべき壁があるのも事実です。
みなさんは電気自動車を選ぶ際、航続距離、充電時間、価格のうち、どれを最も重視されますか。この技術が実用化されたとき、私たちのモビリティはどんな可能性を手にするのか、一緒に考えていきたいと思います。
