カルシウムイオン電池：次世代エネルギー貯蔵の新たなフロンティア

香港科技大学（HKUST）の金允燮准教授らのチームが、準固体電解質（QSSE）を用いたカルシウムイオン電池（CIB）で画期的な性能を達成しました。酸化還元活性共有有機フレームワーク（COF）ベースのQSSEにより、室温でイオン伝導度0.46 mS/cm、Ca²⁺輸送数>0.53を実現。フルセルで可逆比容量155.9 mAh/g（0.15 A/g）、1 A/g・1000サイクル後も容量保持率74.6%を示し、CIB実用化へ大きく前進しました。成果は『Advanced Science』誌に掲載されています。

リチウムの代替としてのカルシウムの可能性と課題

リチウムイオン電池（LIB）は資源枯渇とエネルギー密度の頭打ちに直面しています。カルシウムは地球上に豊富に存在し、LIBと同等の電気化学窓を持つため有力な代替候補ですが、Ca²⁺はLi⁺よりイオン半径が大きく二価電荷で「粘着性」が強く、特に準固体電解質中では拡散が極めて遅く（伝導度がLiの10分の1以下）、これが最大のボトルネックでした。

「ハイウェイ」と「サービスエリア」でイオン輸送を高速化

金准教授チームは、高結晶性多孔性COF材料で垂直配向したイオン輸送チャネル（「ハイウェイ」）を構築し、その内部にカルボニル基を戦略的に配置した「サービスエリア」でCa²⁺にエネルギーを与えて移動を促進する設計を考案。実験とシミュレーションの両面から、Ca²⁺がCOF細孔内の整列したカルボニル基に沿って高速輸送されることを明らかにしました。

アノードフリーへの道筋も視野に

金准教授は次のステップとして、(1)イオン輸送チャネルのさらなる最適化による単一Ca²⁺伝導の実現、(2)正極・負極材料の最適化、そして最終的には全固体カルシウムイオン電池の開発を掲げます。さらに「負極材料を持たないアノードフリー設計こそが次世代電池の究極形。充電時に負極が自己形成するため、同じ体積により多くのエネルギーを詰め込める。カルシウム化学はこの実現に独自の機会を提供する」と語り、野心的なビジョンを示しています。

研究者への助言として「難問から逃げず正面から取り組め」「化学だけでなく構造で考えろ」「忍耐強く粘り強く」の三つを挙げています。

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