同済大学が主導する複数機関の共同研究により、LiOH系非水系リチウム酸素電池における酸素発生を支配する主要因子が特定され、触媒、電解質、集電体設計への系統的アプローチにより酸素回収率をほぼゼロから約75%に向上できることが示された。
この研究はNature Communicationsに掲載され、リチウム空気電池技術を妨げる基本的な課題の一つに取り組む。LiOH系Li-O2セルは理論エネルギー密度3,707 Wh/kgを提供し、従来のリチウムイオン電池の数倍であり、代替のLi2O2化学系よりも本質的に水分とCO2に対する耐性が高い。しかしこれまで、その可逆性は低く、充電時の酸素回収率はほぼゼロであった。
研究結果
同済大学のTao Liuが率いるチームは、LiOH系セルを劣化させる副反応化学を系統的に分析した。彼らは表面結合型水酸基ラジカル（OH）が主要な活性酸素種であることを特定した。これは、一重項酸素（1O2）が主な原因であるLi2O2系セルとは対照的である。OHは溶液相ではなく表面結合型であるため、その反応性は触媒表面工学を通じて調整できる。
水酸基ラジカルは電解質と炭素支持体の両方を攻撃する。13C標識炭素を用いて、チームは発生したCO2の65%が炭素腐食に起因し、電解質分解が残りの35%を占めることを追跡した。炭素腐食はわずか3.5 Vから始まり、充電電圧範囲内である。
3方向の最適化
チームは3つの補完的戦略を開発した：
第一に、OHを強く結合し、副反応ではなく生産的な酸素発生へと導くFe-Co-Ni層状複水酸化物（FeCoNi LDH）触媒。Bader電荷分析により、鉄活性サイト上のOHはルテニウムよりも高い電荷移動を示し、反応性と攻撃性が低いことが示された。
第二に、密度汎関数理論による福井指標の計算で確認された、求電子的な*OH攻撃に対する優れた耐性を持つスルホラン系電解質。従来のエーテル類、DMSO、DMAを上回る性能を示す。
第三に、3.5 V以上の電圧で炭素腐食経路を完全に排除し、不可逆性の主な原因を取り除く金集電体。
これらの戦略を組み合わせることで、酸素回収率はほぼゼロのベースラインから約75%に向上した。放電生成物はその場X線回折によりLiOHと確認され、検出可能な一重項酸素は認められなかった。
明らかになったパラドックス
この研究は直感に反する洞察を明らかにしている：より高い過電圧が実際にはOHを副反応ではなく生産的な酸素発生へと駆動できるということである。単に充電電圧を下げるという典型的な最適化目標は、OHを電解質に対してより反応性の高いものにするのであれば不十分である。
この研究は、将来的なLiOH系リチウム空気電池のための合理的な設計原理を提供する：耐酸化性溶媒、強力な*OH結合触媒、および非炭素系集電体である。スケールアップされれば、4電子酸素化学は最終的に、酸素ボンベやガス精製システムを不要とする実用的な開放型リチウム空気電池を可能にする可能性がある。
出典：
1. Tang L, Lu Z, Gao Z, Lou X, Li J, Wen Y, Chen J, Zhu Z, Luo S, Zhou L, Wei G, Chen Z, Zhao H, Li T, Peng L, Li F, Liu T. “Unravelling the key factors governing O2 evolution upon charging a reversible LiOH-based nonaqueous Li||O2 battery.” Nature Communications. 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-75284-2
雅子 訳