フッ化物ベース電池が現行比8倍の寿命、室温動作を初実現

現代デバイスの要件を満たす高エネルギー密度電池の探求は継続的に増加しています。エネルギー密度は、反応で伝達される電子数、陽極と陰極の電位差、セル体積、ファラデー定数に依存します。

これらすべての要因を考慮し、カリフォルニア工科大学の研究者たちが、フッ化物（フッ素の負電荷イオン）ベースの充電式電池製造新手法を開発しました。

この技術は、ノートPCやスマホを毎日充電する必要性を排除する可能性があります。実際、この要件を月2回のみに削減できるかもしれません。フッ化物電池のエネルギー密度はリチウムイオン電池より相対的に高いため、最大8倍長く持続できます。しかし、極めて反応性が高く、腐食性があり、扱いが困難です。

フッ化物電池の実験はこれが初めてではありません。1970年代、科学者たちは固体モジュールを用いて充電式フッ化物ベース電池の開発を試みました。しかし、固体電池は適切に動作するために高温を必要とするため、日常用途には使用できませんでした。

今、研究者たちは液体モジュールを使用してこれらの電池を室温で動作させる方法を解明しました。室温で正常に動作する初めての充電式フッ化物ベース電池を作成しました。

電池は、陽極（正極）と陰極（負極）の間でイオンを移動させることで電流を供給します。液体溶液（リチウム電池で使用）では、イオンが室温でより容易に移動します。

参照: ScienceMag | doi:10.1126/science.aat7070 | Caltech

リチウム電池が正イオン（陽イオン）を使用するのに対し、この研究で開発されたフッ化物電池は負電荷（陰イオン）を持ちます。陰イオンを電池に使用することにはいくつかの利点がありますが、独自の課題もあります。

液体電解質溶液の助けを借りて陽極と陰極間を移動する電荷原子 | Credit: Brett Savoie/Purdue University

電池を長持ちさせるには、大量のイオンを移動させる必要があります。正電荷イオン（陽イオン）を移動させるのはかなり困難ですが、負イオン（陰イオン）を移動させることで同様の結果が得られ、これらは相対的に容易に移動します。このメカニズムの主な課題は、システムを適切な電圧で動作させることです。

この研究では、多価フッ化物変換反応が高い熱力学的反応ポテンシャル（3ボルト超）と体積容量（1000Ah/リットル超）を持つことを示しました。したがって、フッ化物電池は既存リチウムイオン技術の理論値の少なくとも8倍となる、最大5000Wh/リットルの理論的エネルギー密度を提供します。

フッ化物電池を液体（固体ではなく）で適切に動作させた鍵となるコンポーネントは、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル（略称BTFE）という電解液です。これはフッ化物イオンを安定化させ、電子を電池内で前後に容易に移動させます。

BTFE分子に囲まれたフッ化物イオン（ピンク） | Credit: Brett Savoie / Purdue University

なぜこの溶液が機能したのか？ BTFEのどの特性がフッ化物を安定化させたのか？答えを見つけるため、研究者たちはコンピュータシミュレーションの助けを借りました。BTFE溶液を変更し、添加剤で修正することで安定性と性能を向上できることを発見しました。

結果は、研究者たちがより長持ちする電池を開発する興味深い技術を解き放ったことを示しています。フッ化物電池がカムバックしていると言うのは間違いではありません。

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