金属空気電気化学セル

リチウム金属の非常に高いエネルギー密度（最大 3458 Wh/kg）は、リチウム空気電池の設計を促しました。リチウム空気電池は、固体リチウム電極、この電極を囲む電解質、および酸素を含む周囲の空気電極で構成されています。現在のリチウム空気電池は、使用される電解質とそれに続く電気化学セル構造に基づいて、4 つのサブカテゴリに分類できます。これらの電解質カテゴリは、非プロトン性、水系、混合水/非プロトン性、および固体であり、それぞれに独自の利点と欠点があります。^{[ 4 ]}それにもかかわらず、リチウム空気電池の効率は、カソードでの不完全な放電、放電過電圧を超える充電過電圧、およびコンポーネントの安定性によって依然として制限されています。 [ ^{5 ]リチウム}空気電池の放電中、生成されたスーパーオキシドイオン（O2− _）^は電解質または他のセルコンポーネントと反応し、電池の再充電を妨げます。^{[ 6 ]}

ナトリウム空気電池は、リチウム空気電池におけるスーパーオキシドに関連する電池の不安定性を克服することを期待して提案されました。ナトリウムは、エネルギー密度が 1605 Wh/kg であり、リチウムほど高いエネルギー密度を誇りません。しかし、有害な二次反応を起こすスーパーオキシドとは異なり、安定したスーパーオキシド (NaO _{2 ) を形成できます。NaO 2}は、ある程度可逆的に元素成分に分解するため、ナトリウム空気電池には、ある程度の充電可能な固有の能力があります。^{[ 7 ]}ナトリウム空気電池は、非プロトン性で無水の電解質でのみ機能します。DMSO電解質をトリフルオロメタンスルホンイミドナトリウムで安定化すると、ナトリウム空気電池の最高のサイクル安定性 (150 サイクル) が得られました。^{[ 8 ]}

カリウム空気電池は、カリウムと酸素の反応を利用して超酸化カリウム（KO）を生成する。₂）放電時。細胞の反応は次のように説明できます。

${\displaystyle {\ce {K + O2 -> KO2}}}$

過酸化リチウム（Li）とは異なり₂ O₂ ) KOの生成と分解₂は熱力学的に安定で反応速度が速いため、カリウム空気電池は極めて低い約50mVの過電圧を実現できます^{。 [ 9 ]}これにより、往復エネルギー効率は90%以上となり、金属空気電池の中で最高値となります。

この高い効率とカリウムの豊富さから、この技術は主にグリッドエネルギー貯蔵の低コスト候補として研究されている。^{[ 10 ]}理論上の比エネルギー（935 Wh/kg）はリチウム空気電池より低いものの、電気自動車への応用には十分である。革新的な研究では、太陽電池をセル構造に組み込んで光電気化学充電プロセスを補助し、グリッドからのエネルギー入力をさらに削減する「太陽光補助型」カリウム空気電池も検討されている。^{[ 11 ]}

しかし、商業化の大きな障壁は、金属カリウムが水分と高い反応性を示すことである。商業化には、陽極が周囲の空気中の湿気と反応するのを防ぐために、複雑な酸素精製膜が必要になるだろう。^{[ 10 ]}

亜鉛空気電池は、最も成熟した金属空気電池技術であり、費用対効果と安全性の高さから補聴器や鉄道航行信号などに広く商業的に利用されている。 ^{[ 12 ]}理論上の比エネルギーは1350 Wh/kg（酸素を除く）と高い。

一次（非充電式）亜鉛空気電池は商業的に成功しているものの、電気的に充電可能な（二次）電池の開発は依然として大きな技術的課題となっている。主な障害としては、充電中に亜鉛が不均一に析出するため、デンドライトが形成され、電池が短絡する可能性があることが挙げられる。さらに、アルカリ性電解質は大気中の二酸化炭素に非常に敏感である。_2は電解質中の水酸化物イオンと反応して炭酸塩沈殿物（K）₂ CO₃またはNa₂ CO₃）多孔質空気電極を詰まらせ、イオン伝導率を低下させる。 ^{[ 13 ]}

マグネシウム空気電池は、マグネシウムが豊富に存在し、リチウムよりも危険なデンドライト形成が起こりにくいため、動作安全性が高いことから魅力的です。^{[ 14 ]}しかし、この技術は、水系電解質中のマグネシウム負極の「寄生腐食」または自己放電によって著しく制限されています。動作中、マグネシウムは水と自発的に反応して水素ガスを生成し、水酸化マグネシウム（Mg(OH)）の不動態層を形成します。₂ ):

${\displaystyle {\ce {Mg + 2 H2O -> Mg(OH)2 + H2}}}$

陽極表面に形成されるこの不動態層は電極を遮断し、電気化学反応を効果的に停止させる。^{[ 15 ]}現在の研究では、これらの問題を軽減するために、腐食抑制剤、合金陽極の使用、または非水系電解質の開発に重点が置かれている。^{[ 14 ]}

カルシウム空気電池はカルシウムと酸素の反応を利用しており、理論的には2990 Wh/kgの高い比エネルギーと3.12 Vの高い開放電圧を提供します。^{[ 16 ]}放電反応では通常、酸化カルシウム（CaO）が生成されます。

${\displaystyle {\ce {2 Ca + O2 -> 2 CaO}}}$

この可能性にもかかわらず、この技術は電解質との適合性に関して深刻な課題に直面しています。水性電解質では、カルシウムは水と激しく反応して水酸化カルシウム( Ca(OH)₂）水素ガスが発生し、急速な自己放電を引き起こします。 ^{[ 17 ]}非プロトン性では、通常、アノード表面に絶縁性の不動態層が形成されることで電気化学的活性が阻害され、可逆的なカルシウムの析出と剥離が妨げられます。リチウム系や亜鉛系と比較すると、現在のところ研究は限られており、室温で可逆的な電気化学をサポートする適切な電解質を見つけることに重点が置かれています。 ^{[ 16 ]}

アルミニウム空気電池は、他のどの電池よりもエネルギー密度が高く、理論上の最大エネルギー密度は6～8  kWh/kgですが、2003年時点では アルミニウム電池セルは充電できないため、電池から電力を継続的に得るには新しいアルミニウム陽極を取り付ける必要があり、そのため使用コストが高く、主に軍事用途に限定されます。^{[ 18 ]}

アルミニウム空気電池は電気自動車のプロトタイプに使用されており、1回の充電で2000 kmの航続距離を謳うものもあるが、一般には販売されていない。しかし、アルミニウム空気電池は電力がなくなるまで安定した電圧と出力を維持するため、緊急着陸時に常にフルパワーが必要となる電気飛行機には有用である可能性がある。別個の金属アノードを持ち運ぶ必要がないこと、アルミニウムの自然な低密度、アルミニウム空気電池の高いエネルギー密度により、電池は非常に軽量であり、電気航空にも有利である。空港の規模であれば、アノードのオンサイトリサイクルも可能であり、多数の小型ステーションが必要な自動車では実現不可能である。^{[ 19 ]}

アルミニウム空気電池は、従来のリチウムイオン電池に比べて環境に優しい。アルミニウムは地殻で最も豊富な金属であるため、リチウムと同量のアルミニウムを見つけるのに、それほど大規模な採掘は必要ない。また、アルミニウムのリサイクル工場は既に存在しているのに対し、リチウムのリサイクル工場は出現し始めたばかりで、収益を上げ始めている段階である。現在の技術では、アルミニウムのリサイクルの方がはるかに経済的である。^{[ 19 ]}

鉄空気二次電池は、グリッド規模のエネルギー貯蔵の可能性を秘めた魅力的な技術です。この技術の主な原料は酸化鉄（錆）で、豊富に存在し、無毒で安価で、環境に優しい材料です。^{[ 20 ]}現在開発中の電池のほとんどは、酸化鉄粉末を使用して、Fe/FeO 還元/酸化（レドックス）反応（Fe + H ₂ O ⇌ FeO + H ₂）を介して水素を生成および貯蔵します。 ^{[ 21 ]}燃料電池と組み合わせることで、このシステムは充電式電池として機能し、電気の生成と消費を通じて H 2 O/H 2 を生成します。_[ 22 _]^{さらに、この}技術は、太陽光や風力などの断続的または変動的なエネルギー源からのエネルギーを貯蔵するために使用でき、二酸化炭素排出量の少ないエネルギーシステムを開発できるため、環境への影響は最小限です。

このシステムを起動させる方法の一つは、Fe/FeO酸化還元反応を利用することです。^{[ 23 ]}鉄と空気中の酸素の酸化中に生成された水素は、燃料電池で消費されて電気を生成します。電気を貯蔵する必要がある場合は、燃料電池を逆方向に運転して水から生成された水素が、酸化鉄を金属鉄に還元する際に消費されます。^{[ 21 ] [ 22 ]}これら2つのサイクルの組み合わせにより、このシステムは鉄空気充電式電池として動作します。

この技術の限界は、使用される材料とエネルギー変換効率の低さに起因します。^{[ 24 ]}一般的には酸化鉄粉末床が選択されますが、粉末の急速な焼結と粉砕により、サイクル数が多くなることが制限され、結果として容量が低下します。現在研究中の他の方法、例えば3Dプリンティング^{[ 25 ]}や凍結鋳造^{[ 26 ] [ 27 ]}などは、酸化還元反応中に高い表面積と体積変化を可能にする構造材料の作成を目指しています。