2022年12月18日
空気電池って何？蓄電池への活用が期待される ”次世代電池” とは
「空気電池」というものをご存じでしょうか。
活物質に金属を用いた電池で、コンパクトで軽量な特徴から、補聴器やフィルムカメラなどに使用されています。
現在使われている空気電池は、一度放電するのみで充電のできない「一次電池」ですが、近年、繰り返し充放電ができる「二次電池」としての実用化に向けて開発が取り組まれています。
空気電池が二次電池として利用できるようになれば、家庭用蓄電池や電気自動車などの大容量化・低コスト化につながる可能性があります。
この記事では、空気電池がどのようなものなのか、現在の活用例やメリット・課題、二次電池としての実用化に向けて取り組まれている開発について紹介します。
空気電池とは
空気電池とは、プラス（＋）極に酸素を、マイナス（ー）極に金属を用いた電池のことをいいます。
マイナス極に金属を用いることから「金属空気電池」とも呼ばれ、用いられる金属によって「亜鉛空気電池」や「アルミニウム空気電池」、「リチウム空気電池」などに分類されます。
プラス極の活物質が酸素であることから、充填（じゅうてん）の必要がなく、マイナス極の金属を電池内に大量に補充することができます。
プラス極の活物質を充填する必要がないため、同容量の一般電池と比較すると、コンパクトで軽量といった特徴です。
マイナス極の活物質として利用されるのは、亜鉛やアルミニウムなどといった金属です。これらは埋蔵量の多い物質であることから、空気電池はコスト面や環境負荷などでもメリットがあるといわれています。
皆さんが普段使うスマートフォンやパソコンには「リチウムイオン電池」という二次電池が使用されています。二次電池とは、充電することで繰り返し使用できる電池のことをいいます。
現在商用化されている空気電池は一次電池で、一度放電するのみで充電できない電池です。コンパクトで軽量といった特徴から、現在では主に補聴器やフィルムカメラなどに使用されています。
空気電池を二次電池として実用化するにはいくつかの課題がありますが、近年、その開発は大きく前進しています。
まだまだ開発途中ですが、「次世代電池」とも呼ばれており、今後ますます活用の幅が広がると期待されている電池です。
現在商用化されている空気電池の例
現在では、空気電池は耳穴型や耳掛け型の補聴器によく使用されています。補聴器には空気電池を使用するものの他、充電式のものもあります。補聴器を電池で使う場合に、空気電池が使用されます。
空気電池はプラス極側にシールが貼られており、シールを剥がすことで空気中から酸素が取り込まれてはじめて機能します。
シールは一度剥がしてしまうと放電が始まるため、補聴器を使わなくても電池を消耗します。使用しないときは、もともと貼ってあったシールを貼ることで、電池の劣化を抑え、長持ちさせられます。
注意したいのは冬場の使い方です。気温が下がる冬場は、空気電池にとっては厳しい使用環境となります。
性質上、二酸化炭素の影響を受けやすく、注意して使わないと通常よりも早く電池を消耗してしまいかねません。
石油ストーブを使ったり、狭い部屋に大人数が集まったりすると空気中に二酸化炭素が充満しやすくなるため、換気を十分に行うことが大切です。
空気電池は安定して電気を供給でき、また、コンパクトかつ軽量であることから補聴器に最適な電池だといわれています。
しかし、近年では充電式の補聴器も増えてきており、電池購入や交換の手間が省けることから、充電式を選択する方も多くなっているのが現状です。
空気電池のメリット
空気電池には、従来の電池に比べて、安全性が高い・低価格を実現しやすい・コンパクトな設計、といったメリットがあります。それぞれ詳しくみていきましょう。
安全性が高い
空気電池には、安全性が高いといったメリットがあります。
空気電池は、電解液に主に不燃性のアルカリ水溶液を用います。有機溶媒を使用した電解液を用いるリチウムイオン電池と比較すると、安全性の高い電池を作ることができているといえます。
低価格を実現しやすい
マイナス極の材料になる亜鉛やアルミニウムなどの金属は、埋蔵量が多く安価な物質であるため、電池自体を低価格にすることが可能です。
世界中さまざまな場所で産出される物質であることから、供給リスクが小さいといったメリットもあります。
コンパクトな設計
空気電池はプラス極を充填する必要がないことから、電池内にマイナス極の材料となる金属を大量に充填することが可能です。そのため、電池のコンパクト化・軽量化がしやすいといったメリットがあります。
空気電池が持つ課題
空気電池は、亜鉛やアルミニウムなどのありふれた金属を用いることによって、十分なエネルギー密度が取れるようになっています。
しかし、マイナス極での金属イオンが出入りにおいては、充電する時にデンドライト（電池を充電する際に成長するリチウムの樹脂状結晶のこと）が生成される問題があります。
デンドライトの生成は、成長してセパレーターを突き破って短絡が生じてしまう可能性があることから、安全面が懸念されています。
また、プラス極においては、酸素の発生を繰り返すことで著しく電極を劣化させてしまいます。酸素を取り込む仕組み上、密閉することができず、電解液の劣化が進んでしまうのです。
そのため、蓄電池の性質上で重要となる寿命が極めて短くなってしまうといった課題があります。
その他にも、マイナス極の使用済みの金額を再利用する場合、再生時に多くのエネルギーを必要とし、充電時には過電圧が必要となるなど、エネルギー収支上でも課題があります。
空気電池が蓄電池に活用される日は近い!?
さまざまな課題を持っている空気電池ですが、近年では、大容量化や二次電池への実現が近づいてきており、研究開発の進捗とともに活用への期待も高まってきています。
ここからは、近年の空気電池に関する研究や開発についてみていきましょう。
東レが創出した「空気電池用イオン伝導ポリマー膜」
2022年6月、東レ株式会社は「空気電池用電動ポリマー膜」の創出に成功しました。
このポリマー膜を空気電池のセパレーターに適用することで、長寿命化と安全面の向上が実現しました。
二次電池の中でも特に空気電池は、従来のリチウムイオン電池と比較し、コンパクトで軽量かつエネルギー密度が高いことから、近年注目されています。
充放電を繰り返しを行うことで電池が劣化しやすくなる、さらに充電時にデンドライトが生成され安全面で不安がある、といった課題を持っていた空気電池ですが、このポリマー膜ができたことによって、これらの課題は解決されたといえます。
シャープ「フロー型亜鉛空気電池」の開発開始
2022年8月、シャープ株式会社は、空気電池に亜鉛を用いた開発を始めました。再生可能エネルギーの促進によるカーボンニュートラルの実現に向けた開発で、低コストで大容量の貯蔵を可能にする同技術の実用化を目指しています。
再生可能エネルギーは、気象条件などによって発電量が変動するため、これらを主力電源として使うには、蓄電池を用いての電力供給が欠かせません。
シャープが新しく開発をする「フロー型亜鉛空気電池」は、空気中の酸素を活用し、充放電を繰り返し行うことができる蓄電池です。
「フロー型亜鉛空気電池」の優位性は下記のとおりとされています。
- 蓄エネルギー物質に亜鉛を利用し低コスト化
- フロー型方式で容易に大容量化を実現
- 水系の電解液を用いて高い安全性を実現
どのような優位性なのか、それぞれみていきましょう。
蓄エネルギー物質に亜鉛を利用し低コスト化
蓄エネルギー物質には、安価で安定的に供給される亜鉛を用います。
酸化亜鉛が亜鉛に変化する過程で電子を蓄え、亜鉛が酸化亜鉛に変化する過程で電子を放出することで、電気を取り出す仕組みです。
この変化サイクルを利用することで、充放電を繰り返す蓄電池としての活用が可能になります。
現在はリチウムを利用する蓄電池が主流ですが、リチウムは産出国や精製国が限られ、かつ高価であることから、今後は需給がひっ迫するリスクが懸念されています。
亜鉛は多くの地域で産出されており、安定的な調達が可能で、かつ安価であるというメリットがあります。
フロー型方式で容易に大容量化を実現
フロー型方式では、蓄電池の充放電を担う「セル」と、そのセルで充電された亜鉛を蓄える「貯蔵部」が、それぞれ独立した構造になっています。この構造から、貯蔵部の大型化によって、簡単に蓄電システムの大容量化が可能です。
貯蔵部はセルより低コストであるため、安価な亜鉛の利用と相まって、低コストかつ大容量の蓄電池の実現を可能にしています。
水系の電解液を用いて高い安全性を実現
電解液には水系の液体を使用するため、発火する可能性を極限まで抑え、非水系の有機溶媒を使用する従来の蓄電池よりも、高い安全性を実現します。
この他にも、2018年にはソフトバンク株式会社と国立研究開発法人 物質・材料研究機構（NIMS）が「リチウム空気電池」の開発を開始しており、2022年6月には、充放電サイクル寿命を倍増させる電解液材料の開発に成功したと発表しています。
このように、近年、空気電池の二次電池化に向けた開発は日々大きく前進しています。空気電池が家庭用蓄電池としても活用できる未来は、そう遠くはないでしょう。
まとめ
今回は、次世代のスタンダードになり得るポテンシャルを持つ電池（二次電池）として実用化が期待されている「空気電池」について解説しました。
近い将来、空気電池の二次電池化が実現し、実用化されれば、家庭用蓄電池や電気自動車の大幅な大容量化・低コスト化が期待できます。
リチウムイオン電池の低価格化も予想されているため、各家庭が家庭用蓄電池を持つようになり、ほとんどの家庭が電気を自給自足する未来も近いかもしれません。
現在販売されている家庭用蓄電池についても、気になることや知りたいことがありましたら、ぜひ弊社までお気軽にお問い合わせください。
