CATL、リチウム空気電池を研究　EVでの航続距離2,000キロはなお研究目標

航続距離の延伸は難しい化学的課題から始まる

CATLは、理論上の比エネルギーが約3,505ワット時／キログラムに達するリチウム空気電池を研究している。この数値をもとに、電気自動車が1回の充電で2,000キロ走行できるとの見通しが示されている。首席科学者の呉凱氏は、北京で開かれた2026年の装備強国フォーラムで、この技術を将来の研究分野に挙げた。当面の課題は、車載に十分な充電可能性、耐久性、実用性を化学反応に持たせることだ。

中国の電池メーカーである寧徳時代新能源科技（CATL）は、この航続距離を実現する市販車も、リチウム空気電池の商用化時期も発表していない。2,000キロという数値は、重量に対して大量のエネルギーを蓄えられる可能性に基づく推計だ。

呉氏の研究ロードマップでは、この技術は同社の長期的な取り組みのうち10年以上先に位置付けられている。同氏の発言を伝えた報道によると、CATLの研究室では比エネルギーが1,000 Wh/kgを超え、充放電サイクル寿命が500回に達したという。こうした研究室での進展を電池全体に応用するには、取り込む空気を制御し、反応性の高い材料を保護し、繰り返し使用しても性能を安定させる設備が必要となる。

中国と米国の研究は、この技術の可能性と難しさの双方を示している。研究者らは一部の設計で数百回、別の設計では少なくとも1,000回のサイクルを実証した。また、固体の反応生成物が電極を塞ぐ理由や、電気が生じる場所に酸素が届きにくい理由も調べている。

電池が空気中の酸素を使う仕組み

一般的なリチウムイオン電池は、リチウムイオンを、それらを取り込む材料を含む2つの電極の間で移動させる。一方、リチウム空気電池は負極に金属リチウムを使い、正極では酸素を反応物として利用する。電極とは、発電または電気を蓄える反応が起きる電池の部分だ。

一般的なリチウム空気電池の設計では、放電時にリチウムと酸素が反応し、多孔質の正極内に過酸化リチウムが生じる。電子は外部回路を流れ、電力を供給する。充電時にはこの反応を逆転させ、過酸化リチウムを分解して酸素を放出し、金属リチウムを再生することを目指す。

外部から酸素を取り込めば、反応物をすべて最初から含む従来型の正極材料を持ち運ぶ必要性が減る。これがリチウム空気電池の理論上の比エネルギーが際立って高い理由だ。一方、空気を取り込む電池では、密閉型の従来電池なら内部に入らないガスや水分も管理しなければならない。

研究者らは、この化学反応の複数の方式を調べている。電極間でイオンを運ぶ材料である電解質に液体を使うものもあれば、ゲルや固体を使うものもある。反応生成物や作動条件は方式ごとに異なり、性能を比較するうえで重要な違いとなる。

3,505 Wh/kgと12,000 Wh/kgが併記される理由

よく引用される3,505 Wh/kgという数値は、過酸化リチウムが生じる理論上の反応に基づき、酸素反応物の質量も含めている。これに対し、12,000 Wh/kgに迫る数値は、質量計算から酸素を除外している。そのため、より高い数値は異なる算定範囲に基づいている。

電池全体には電解質、電極構造、セパレーター、保護部品、空気制御設備が加わる。車載電池にはさらに接続部、筐体、温度管理機構も必要だ。各部品が重量や容積を増やすため、完成したシステムのキログラム当たりの蓄電量は低下する。

比較の目安として、一般的なリチウムイオン電池セルの比エネルギーは、研究報道ではおおむね200～300 Wh/kg、一部の先進的な設計では約350 Wh/kgとされる。3,505を350で割ると約10となる。必要な装置一式を組み込んだ後も、化学反応が持つ優位性をどれだけ保てるかが実用化の課題だ。

リチウム空気電池の比エネルギーが全固体電池の5倍という見方は、約3,500 Wh/kgと、全固体電池の理論値700 Wh/kgを比較したものだ。ドライバーにとって有用な比較には、使用可能容量、出力、耐久性を含め、同等の条件で測定した完成電池が必要となる。

研究室の成果が実際に測定しているもの

吉林大学と中国科学院の研究者らは、2024年に「Advanced Energy Materials」誌に発表した研究で、比エネルギー757.5 Wh/kgのリチウム空気電池パウチセルを報告した。この設計では、電池内部でゲル状にした高分子電解質を使用した。また、1グラム当たり500ミリアンペアの電流と、1グラム当たり1,000ミリアンペア時の容量上限という条件下で、研究室で241サイクルを実証した。

こうした作動条件は重要だ。1サイクルでセルが持つ容量の一部しか使わない場合もあるためだ。放電の深さ、作動速度、容量維持率も分かれば、サイクル数はより有用な指標となる。

イリノイ工科大学とアルゴンヌ国立研究所の研究者らは、2023年に「Science」誌で別の方式を報告した。全固体型のリチウム空気電池で、室温において少なくとも1,000サイクルを達成した。より一般的な設計で見られる過酸化リチウムではなく、酸化リチウムを生成する反応を利用した。

アルゴンヌ国立研究所とイリノイ工科大学の成果については、2025年の結果として紹介され、1,200 Wh/kgが試作機で達成された性能とされることもある。しかし、2023年の「Science」誌の研究は、この数値を理論上の可能性として示していた。実証されたのは、実験的な電池構造のサイクル性能だった。

したがって、CATLが報告した研究室の数値、パウチセルの成果、米国の全固体電池の実験は、それぞれ異なる問いに答えている。これらを合わせると、研究者らが軽量な蓄電を目指す一方で、繰り返し充電しても機能する電池を実現するという別の課題にも取り組んでいることが分かる。

2009年にさかのぼる研究の歩み

自動車業界がリチウム空気電池に注目したのは、CATLの最近の発言よりずっと前だ。研究の歩みには、意欲的な車載目標や固体電解質の実験、電極内部の反応に関する詳細な研究が含まれる。

• 2009年：IBMが「Battery 500」プロジェクトを開始し、電気自動車が1回の充電で500マイル（約805キロ）走行できる電池を目指した。
• 2023年：イリノイ工科大学とアルゴンヌ国立研究所の研究者らが、全固体型リチウム空気電池の研究を「Science」誌に発表。室温で少なくとも1,000サイクルを報告した。
• 2024年：「Advanced Energy Materials」誌の研究が、比エネルギー757.5 Wh/kgのリチウム空気電池パウチセルと、所定の実験条件下での241サイクルを報告した。
• 2025年：中国科学技術大学の研究者らが、厚い電極内での酸素輸送と反応経路を調べた。
• 2026年：呉氏が装備強国フォーラムで、リチウム空気電池をCATLの長期的な研究分野に挙げた。

IBMの計画は、市販の自動車用電池には結び付かなかった。その後の研究は、電解質の安定性、酸素供給、固体反応生成物の形成など、化学反応に伴う個別の障害に重点を置いてきた。

空気供給設備も電池システムの一部に

外気には酸素のほか、水蒸気や二酸化炭素も含まれる。水分は金属リチウムと反応する可能性があり、二酸化炭素からは炭酸リチウムが生じることがある。望ましくない反応は有用な材料を消費し、性能を低下させる堆積物を残す。

そのため、実用的なリチウム空気電池システムには、空気の取り入れを制御する機構、ろ過、湿度管理が必要となる。設計によっては、電池内にガスを送るポンプやファンなどの装置も要る。そうした部品は場所を取り、電池が生み出す電力の一部を消費する。

2023年の「Journal of Energy Storage」誌の研究は、提案された車載構成では補助設備が電池出力の5.4%を消費すると推計した。電池の出力が100単位なら、そのうち5.4単位が補助システムに使われる計算だ。この推計は提案された設計に当てはまるもので、別の構成では必要量も異なる。

正極内部では過酸化リチウムが徐々にたまり、酸素の通り道となる孔を埋めることがある。多孔質のスポンジに固体物質が詰まっていくようなもので、空間が減るほど酸素の通路も少なくなり、反応生成物がさらに生じる余地も狭まる。

中国科学技術大学の彭坦教授らは、酸素輸送が厚い電極内の反応に及ぼす影響を研究している。2025年の研究では、物質の移動に対する抵抗が、位置によって反応経路をどう変えるかを調べた。関連研究では、リチウムイオン濃度を調整し、過酸化リチウムが生成する位置を変えることで放電容量を高められるかも検討された。

充電のたびに化学反応を元に戻す必要

充電時には、正極から放電生成物を取り除き、負極のリチウムを再生しなければならない。副反応が電解質などの部品を損傷し、セルが蓄えられるエネルギーを徐々に減らすことがある。

金属リチウムにも課題がある。充電時にリチウムが繰り返し析出すると、樹枝状に伸びるデンドライトと呼ばれる針状の構造など、不均一な形状が生じる可能性がある。これが電極間のセパレーターを貫通すると、短絡を引き起こしかねない。有用な充電速度と容量を維持しながら、この過程を制御する必要がある。

エネルギー効率も日常使用に影響する。往復効率とは、電池に充電した電力のうち、後で取り出せる割合を指す。一部のリチウム空気電池は70%未満とされる一方、リチウムイオン電池は95%を超える。数値は設計や条件によって異なるが、キログラム当たりの蓄電量を増やすことだけが技術課題ではない理由を示している。

効率が70%の場合、電気エネルギーを70単位取り出すには100単位の入力が必要となる。充放電時に失われるエネルギーは熱になることがあり、冷却の必要性や電力消費を増やす。可逆性を高めれば、耐久性、充電コスト、温度管理を同時に改善できる。

航続距離2,000キロの車に必要なもの

車の航続距離は、電池の使用可能エネルギーと1キロ当たりの電力消費量によって決まる。電池の重量も重要だが、車の大きさ、速度、空気抵抗、気温、冷暖房や空気管理に使う電力も影響する。

比エネルギーは、キログラム当たりの蓄電量を表す。体積エネルギー密度は、一定の容積に蓄えられるエネルギー量を示す。出力は、電池がどれだけ速く電力を供給できるかを表す。乗用車の電池には、電池ケースに収まり、実用的な距離を走り、加速や継続走行に必要な電力を供給できるだけの性能が、これらすべてに求められる。

リチウム空気電池セルは軽量化で利点を持つ可能性がある一方、ガスの通路や処理装置のために余分な空間が必要となることもある。電力需要が高まった際にも酸素の流れを保たなければならない。航続距離を見積もるには、対象となる車両、電池全体の設計、走行試験を明確にし、既存車との比較ができるようにする必要がある。

電池交換方式を採用すれば、パックの充電、整備、車両間の移動方法は変わる。しかし、電解質の劣化や不可逆な堆積物による容量低下を回復させるには、根本的な化学反応の問題を解決しなければならない。交換式パックを運用する車両群にも、同じ耐久性上のコストが生じる。

CATLが位置付ける技術の将来

CATLがより近い将来の優先課題としているのは、ナトリウムイオン電池と全固体電池だ。呉氏の2026年の発言を伝えた報道によると、ナトリウムイオン電池の大規模生産は2026年中、全固体電池の小規模生産は2027年の可能性が示されている。一方、リチウム空気電池の研究は10年以上先を見据えている。

全固体とリチウム空気は、電池の異なる側面を表す。全固体は電解質を指し、リチウム空気はリチウムと酸素が関わる反応を指す。アルゴンヌ国立研究所とイリノイ工科大学の実験のように、リチウム系ナノ粒子を含むポリマー複合固体電解質を用い、両方を組み合わせることもできる。

大型車や太陽光・風力発電の電力貯蔵も、用途の候補として挙げられている。それぞれに、重量、容積、効率、コスト、稼働寿命の異なるバランスが求められる。特殊な環境での小規模な用途が乗用車への大量普及より先行する可能性はあるが、5～10年という予測も見通しにとどまる。

ドライバーにとって具体的な動きは、大手電池メーカーが、蓄電に必要な重量を大幅に減らす可能性を持つ化学反応に長期研究の照準を合わせたことだ。現在の研究の中心は、酸素供給、充電効率、材料の安定性を電池全体で両立させることにある。

要点

• CATLの首席科学者、呉凱氏は2026年に北京で開かれたフォーラムで、リチウム空気電池を長期的な研究分野に挙げた。
• 航続距離2,000キロという見通しは、蓄電の可能性に基づくもので、市販車の走行試験による結果ではない。
• 理論値の3,505 Wh/kgと約12,000 Wh/kgは、酸素の質量を算入するかどうかで前提が異なる。
• 異なる設計や試験条件のもと、研究室では比エネルギーやサイクル性能の進展が実証されている。
• 空気のろ過、電極への堆積物、リチウムの安定性、エネルギー損失が、依然として大きな技術課題だ。
• CATLはリチウム空気電池を搭載する車両の商用化時期を発表していない。