フッ化物イオン電池とは？エネルギー密度は？実用化目途は？

フッ化物イオン電池とは、トヨタ自動車と京都大学が共同で開発している電池の一種であり、リチウムイオン電池に代わる新しいバッテリー技術のひとつとして注目されています。

フッ化物イオン電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して、より高い体積エネルギー密度を持ち、車載用途などの分野での実用化が期待されています。

本記事では、フッ化物イオン電池の概要と、そのエネルギー密度、および実用化目途を解説します。

フッ化物イオン電池とは

フッ化物イオン電池では、Li+ではなく、F-（フッ化物イオン）が電極間を移動するという特徴があります。負極にはPbのほか、SnやIn,Biなどの遷移金属が用いられます。

高い体積エネルギー密度が実現できるため、将来電池として期待されています。

フッ化物イオン電池のエネルギー密度を、「体積エネルギー密度」と「質量エネルギー密度」に分けて紹介します。

フッ化物イオン電池とリチウムイオン電池の体積エネルギー密度を比較すると、体積エネルギー密度はセル当たり1500Wh/L以上が期待できます。これは、ニッケル系リチウムイオン電池の体積エネルギー密度700Wh/Lに比べて、約2倍以上の高さを誇っています。

体積エネルギー密度は、単位体積あたりのエネルギーの量を示します。具体的には、ある電池が1リットルあたりで格納できるエネルギーの量を示しています。重さはさておき、小さい電池を実現する可能性があるという事です。

一方、重量エネルギー密度は、リチウムイオン電池(NMC系)と同程度の約250Wh/kg程度となっています。

質量エネルギー密度が小さくなる要因は、フッ化物イオン電池は、重い元素のLaを使っていることが挙げられます。主要な活物質である金属フッ化物（例: LaF3, CeF3など）は、比較的大きな質量を持つ素材であると知られており、結果として電池の重量が重くなってしまいます。

車載用で特に重要視される重量に対するエネルギー密度は小さくなります。小さくて重い電池を実現できるのが、このフッ化物イオン電池です。

フッ化物イオン電池の実用化時期については、はやくても2030年頃の見通しです。

京都大学の内本喜晴教授によれば、フッ化物イオン電池を実現するための、体積・重量エネルギー密度ともに、従来材料を大きく上回る化合物の存在が明らかになりつつあるとしています。イオンや分子が結晶構造の中に挿入（インターカレーション）することのできる化合物の研究が進められています。

フッ化物イオン電池のメリット

フッ化物イオン電池の最大のメリットは、高いエネルギー密度です。

原理的には、リチウムイオン電池の少なくとも7倍、最大10倍のエネルギー密度を持つことができます。

また、フッ化物イオン電池は、リチウムイオン電池と比較して、環境負荷（採集にかかるエネルギー）が小さく、資源的な問題がないため、環境面でも優れています。

フッ化物イオン電池のデメリット

一方で、デメリットもあります。

フッ化物イオン電池は充放電特性が悪く、劣化が激しく、20回の充放電サイクルで30％性能低下するとも報告されています。

耐久性向上ために電解質の固体化も検討されていますが、薄膜の固体電解質を用いても約30回で約25％劣化するといわれています。

フッ化物イオン電池を開発しているのは、トヨタ自動車と京都大学です。

「フッ化物イオン電池」の特許はほぼトヨタ自動車の特許であり、2012年頃から50件を超える特許が出願されています。

フッ化物イオン電池は、プラスイオンではなく、マイナスイオンを電荷移動体として使う電池の代表的なものです。

これまで使われてきたリチウムイオン電池は、イオンを収納するために”ホスト材料”(タンクのようなもの)を使っており、その材料の重量や容積が嵩みます。

フッ化物イオン電池のは、ホスト材料を使わず、金属そのものを電極として使っている(表面にくっつける)ため、電極を大幅に小型化できます。

一方で、ホスト材料を使わないために、劣化が大きくなるのではないか、とも言われています。

フッ化物イオン電池の課題の一つに、耐久性の悪さが挙げられます。

上の図は、豊田中央研究所のフッ化物イオン電池の特許の図です。負極のSnが、放電により表面に結晶粒が生成し、完全に放電するまえには、負極前面がおおわれて、電池としての性能が大幅に低下することが指摘されています。

この課題を解決するために、使用する貴金属を変更するなどによって、耐久性を向上させる試みが行われています。

フッ化物イオン電池は、リチウムイオン電池に代わる新しいバッテリー技術として注目されています。

高い体積エネルギー密度を持つ一方で、重量エネルギー密度が低いことが課題です。

しかし、まだ実用化に向けて課題が残っており、実用化は2030年以降との見方が強いです。今後の技術の進展に期待したい分野です。

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