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水素化物イオン電池：電池分野で台頭する新星

リリース時間: 2025年11月01日

従来の水素燃料電池は、主に陽子（正に帯電した水素イオン）の移動と、それに伴う電荷移動に依存して外部回路に電流を発生させます。近年、中国科学院大連化学物理研究所は、新しいコアシェル構造の水素化物イオン電解質を開発し、この電解質を用いて世界初の全固体水素化物イオン電池の試作機を構築することに成功しました[1]。これ以前、水素化物イオン電池の実用可能性には疑念がありました。また、水素化物イオンは一時期「抗酸化作用」をうたい、ミネラルウォーターの添加物として宣伝されたことがありますが、後に日本では完全に禁止されました。現在、水素化物イオン電池の登場により、水素系電池の可能性が新たに拓かれています。

1. 水素系電池の概要

水素イオンの種類に基づき、現行のシステムは水素燃料電池（陽子ベース）と水素化物イオン電池の二つに分類できます。

水素燃料電池の基本動作原理

（陽子交換膜燃料電池を例とし、図1）:

図1 水素燃料電池（陽子交換膜燃料電池）の動作原理図

·水素供給：水素がアノード（負極）に供給されます。

·アノード反応（酸化反応）：アノード触媒（一般的に白金）において、水素分子は2つの陽子（H⁺）と2つの電子（e⁻）に分解されます。

·化学反応式：H₂ → 2H⁺ + 2e⁻

·イオン輸送：陽子（H⁺）は、セル中央の陽子交換膜（PEM）を通り、カソード（正極）に到達します。この膜は電子を通しません。

·電子輸送：電子（e⁻）は陽子交換膜を通過できず、外部回路を通ってカソードへ流れ、直流電流（DC）を発生させます。この電流はモーターの駆動や電子機器への電力供給に利用できます。

·酸素供給：空気中の酸素がカソードに供給されます。

·カソード反応（還元反応）：カソードにおいて、陽子（H⁺）、電子（e⁻）、酸素（O₂）が結合して水（H₂O）を生成します。

·化学反応式：O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

·副生成物排出：反応で生成される水と熱が主な副生成物として排出されます。

水素化物イオン電池の基本動作原理

（図2）:

図2 水素化物イオン電池の動作原理

·放電時：カソード側のNaAlH₄が水素化物イオンを固体電解質3CeH₃@BaH₂に直接放出し、放出された電子は外部回路を通ってカソードからアノードへ流れます。アノード側では、CeH₂が水素化物イオンを吸収し、電子を放出します。

·充電時：アノード側のCeH₂が放電プロセスで吸収した水素化物イオンを放出し、電子は外部回路を通じてアノードからカソードへ流れます。

2.水素化物イオン電池の独自特性

水素化物イオン電池は、正極と負極間の電子移動と水素化物イオンの移動を通じて基本的に動作します。陽子を利用する水素燃料電池とは異なり、このプロセスでは陽イオンと陰イオンの結合が生じず、副生成物も生成されません。また、リチウムイオンを電荷担体とするリチウムイオン電池とは異なり、水素化物イオン電池は水素化物イオンを電荷担体として使用するため、金属デンドライトの形成を根本的に回避します。

水素化物イオン電池の主な課題は、従来の水素化物電解質材料にあります。これらは、電極材料との適合性の問題、水素化物イオン伝導性の低さ、電子伝導性の懸念など、複数の問題を抱えています。水素化物材料の中には水素化物イオンを伝導できるものもありますが、多くの場合、電子伝導を効果的に抑制できません。その結果、電子が材料内部で特定の移動経路に従うことができず、電池内部で短絡が発生します。

中国科学院大連化学物理研究所の陳萍教授、曹虎軍教授、張維進副研究員を中心とする研究チームは、BaH2でCeH3をコーティングした「コアシェル構造」を新たに設計し、単純なメカニカルボールミル法により合成しました。結晶性の高いCeH3と比較すると、CeH3@BaH2の伝導度は3.0×10⁻² S·cm⁻¹から3.2×10⁻⁶ S·cm⁻¹へと4桁低下しました（図3参照）。

図3 結晶性の高いCeH3、BM-CeH3、3CeH3@BaH2試料の室温での電子伝導度（σe）。挿入図は3CeH3@BaH2におけるH⁻および電子の伝導概念図

この改善は、機械的処理による構造変形と界面に形成される独特な配位構造（BaとCeがHを共有し、バルク相とは異なる歪んだBaH5およびCeH6配位構造を形成）に由来します。また、電子が豊富な界面と、BaH2層の広いバンドギャップ（3.27 eV）により、ヘテロ接合を介した電子移動が抑制されます。BaH2のコーティング量は電子伝導度と水素化物イオン伝導速度の両方に大きな影響を与えます。BaH2の含有量が多い場合、電子伝導度と水素化物イオン輸送速度の両方が低下し、逆に少なすぎる場合は電子伝導を十分に抑制できません。最適な比率を有する3CeH3@BaH2材料は、室温で最も良好な性能を示します。電気化学インピーダンス（EIS）測定の結果、この材料は10⁻⁴ S·cm⁻¹を超える水素化物イオン伝導度および0.99以上のイオン輸送数を示し、設計目標を達成したことが確認されました（図4）。

図4 20℃におけるnCeH3-BaH2試料のイオン伝導度（σi）、電子伝導度（σe）、および輸送数（ti）。3:1比の試料は高いイオン伝導度と最大の輸送数を示す

簡単に言えば、この材料設計は、水素化物イオンのための高速道路を構築すると同時に、電子に対して障壁を設けるようなものです。CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4水素化物イオン一次電池の開発成功は、水素化物イオン電池研究における重要な突破口です。この水素化物イオン電池は、高温を必要とせず、室温で効果的に動作し、高い水素化物イオン伝導性を保持しており、室温応用に向けた高い実用可能性を示しています。

3.性能比較

水素燃料電池（陽子ベース）：電気自動車に使用される主流の水素燃料電池はPEMFC（陽子交換膜燃料電池）です。動作温度範囲は60℃～80℃で、起動が速く、高い出力密度を持ち、発電モジュールもコンパクトです（図5）。カルノーサイクルの制約を受けないため、実際の総合効率は50%～60%に達します。さらに、水素自体の比エネルギー密度は140 MJ/kgと高く、最短4分で充填が完了し、中型セダンやSUVで400 km以上の走行が可能です。自動車用燃料電池の出力は最大で125 kWに達します。

図5 水素燃料電池車（Honda CR-V e:FCEV）の内部構造

全固体水素化物イオン電池は、室温において984 mAh/gという優れた初期充放電比容量を示します。20回の充放電サイクル後も402 mAh/gの比容量を維持し、最大電圧は1.9 Vに達します。研究チームは、この試作電池を用いてLEDランプを点灯することにも成功しました（図6）。

図6 CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4直列電池の1.3 mA·cm⁻²での放電曲線、および黄色LED照明に使用した際の写真

4.市場応用

水素燃料電池（陽子ベース）は本質的に発電装置であり、水素燃料電池は系統電力を水素エネルギーに変換し、これを直接電力に戻します。高い熱効率を有し、充填時間が充電より大幅に短く、優れたユーザー体験を提供します。排出物は水のみで、環境に優しいです。製造やリサイクル工程が大規模に必要となる従来のリチウムイオン電池と比較して、水素燃料電池はより持続可能なソリューションを提供します。BMW iX5のように、既に生産に入っている水素自動車も存在しますが、一般販売されているモデルは（Hyundai Nexo、Toyota Mirai、Honda CR-V e:FCEVなど）ごく少数です。なお、多くの水素燃料電池電気自動車は燃料電池のみで駆動しているわけではなく、加速性能や高速巡航能力を高めるため高性能電池を併用しています。とはいえ、水素燃料電池は、水素の貯蔵・輸送、保安性、補給インフラの不足などの課題に直面しています。さらに、BYDのメガワット級フラッシュチャージやHuaweiの液冷超急速充電技術（図7）のように、リチウム電池技術が急速に進歩していることから、水素燃料電池の将来市場競争力は依然として不確実であり、継続的な技術革新に依存します。

図7 BYDメガワット級フラッシュチャージおよびHuawei液冷超急速充電

水素化物イオン全固体電池は概念段階から実験室段階に移行しました。陽子ベースの水素燃料電池と比較すると、充放電を繰り返すことができ、真の二次電池です。エネルギー密度は従来の水素燃料電池より大幅に低いものの、リチウムイオン電池よりはるかに高く、サイクル性能は改善の余地があります。現在の水素化物イオン全固体電池の試験設備として、NEWARE全固体モールドと環境試験箱（–70℃〜150℃の環境に対応、100L～1000Lの容量）が使用されています（図8）。しかし、将来の市場応用に向けては、コスト、動作電圧、サイクル寿命、安定性の継続的な改善が依然必要です。