アルミニウムイオン電池（Al-ion電池）とは？！

アルミニウムイオン電池（Al-ion電池）は、リチウムイオン電池に代わる次世代電池として注目されている技術です。

アルミニウムイオン電池（Al-ion電池）とは？

アルミニウムイオン電池は、電解質中のアルミニウムイオンを利用して、充放電を行う二次電池のことです。負極にアルミニウム金属、正極に炭素材料（グラファイトなど）や特定の酸化物、そして電解質には主にイオン液体が使われます。

Al-ion電池のメリット

アルミニウムイオン電池は、リチウムイオン電池が抱える課題を解決する可能性があって、このようなメリットがあります。

資源の豊富さと低コスト:
- アルミニウムは地殻中に3番目に多く存在する元素であり、リチウムに比べて圧倒的に豊富なために、原材料コストを大幅に削減できて、電池の大量生産を安価に行うことができます。
- リサイクルも簡単で、使用済み電池から80%以上のアルミニウムを回収・再利用できるため、資源の持続可能性にも優れています。
高い安全性:
- リチウムイオン電池で使用される有機電解液のような発火性の材料を必要としないために、発火リスクが低くて、安全性が高いとされています。
- 全固体型のアルミニウムイオン電池も開発されており、液漏れの心配がなく、高温環境（200℃など）でも安定して動作することが報告されています。
長寿命・高耐久性:
- 研究では、アルミニウムイオン電池が1万回以上の充放電サイクル後も初期容量の99%を維持するという驚異的な耐久性を示しています。これはリチウムイオン電池を大幅に上回る性能です。
- アルミニウムは3価のイオンであるために、1価のリチウムイオンに比べて、同じ量のイオンでより高容量化できる理論的な優位性があります。
環境負荷の低減:
- 資源が豊富でリサイクル性が高いため、製造から廃棄までを通じた環境負荷が低いと言えます。
急速充電性能:
- アルミニウムイオンの電荷が3価であるため、理論的にはリチウムイオンよりも高速な充放電が可能とされています。

Al-ion電池のデメリットと課題

多くのメリットがある一方で、実用化に向けてはいくつかの課題もあります。

エネルギー密度の課題:
- 現状のアルミニウムイオン電池は、リチウムイオン電池に比べてエネルギー密度が低いという課題があります。特に体積エネルギー密度が低く、電気自動車など、電池の重量や体積が重要なアプリケーションにはまだ不向きな面があります。
- これは、アルミニウムイオンが3価であるがゆえに、電極材料へのインターカレーション（層間に挿入されること）が強く、電極の劣化や容量低下につながる場合があるためです。
電極材料の開発:
- 特に正極材料において、アルミニウムイオンを効率的に吸蔵・放出できる材料の開発が重要です。多孔質炭素材料の研究が進められており、最適な細孔径の制御が放電容量向上に繋がることが示されています。
- 負極のアルミニウム金属の腐食や不動態化を防ぐための工夫も必要です。保護コーティングや合金組成の最適化、または電解質の改良によって、この課題の解決が模索されています。
電解液の課題:
- 初期の研究では、イオン液体電解液が陽極腐食を引き起こす問題がありました。これを避けるためにゲルポリマー電解液も検討されましたが、導電性の低下が課題となりました。
- 近年では、フッ化アルミニウム塩を添加して固体電解質を生成することで、安定性と導電性を両立させる研究が進んでいます。また、無機塩を用いた安価なイオン液体電解液の開発も報告されています。
副反応とサイクル寿命:
- 一部のアルミニウム電池では、放電過程で負極が水酸化アルミニウムのゲルで覆われる現象や、水素ガスの発生などの副反応が起こり、性能低下や寿命短縮の原因となることがあります。これらの課題に対する解決策として、アニオン交換膜やアルミニウムイオン伝導体の活用が提案されています。