ノーベル化学賞の対象となったリチウムイオン電池は現在も主流だが、現行リチウムイオン電池を超える各種の新型電池が世界中で研究されている。
主流はリチウムイオン電池の発火の原因である有機液体電解質を発火の心配がなくほかの利点も多い固体電解質を使用した全固体電池の開発で、すでに超小型製品では一部量生産移行されている。固体電解質は硫化物系と酸化物系があるが現在は 前者が先行している）
その他リチウムイオンに代わるものとしてはナトリウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオンなどの金属イオン電池が研究・開発されている。
産業用新型電池の用途に関しては大きく静置用と車載用に分けられるが、静置型電池としては以前当ブログで紹介したバイポーラ型全樹脂電池やバイポーラ型鉛蓄電池等がある。
高性能を要求される車載用電池はトヨタ自動車が固体電解質で開発中で、
２０２２年度にもこの電池を搭載したＥＶが発売される予定になっていた。
今年２０２０.８.１０の記事ではトヨタと京大が開発したフルオライド（フッ化物）イオン電池はＥＶ走行距離１０００ｋｍを実現できる能性の目途を付けたとされた。
フルオライドイオン電池の研究は現在まで約50年の歴史があるのだが実用化に至らなかった。しかし最近リチウムイオン電池を超えるその性能の高さが改めて見直され各企業での研究が再加熱している
更に新しい電池の開発が直近でも種々報じられておりこれらの最新記事を追いたいが、その前にこれまでの主流であったプラスイオンではなく、マイナスイオンを電電荷移動体として使う電池の代表であるフルオライドイオン電池について一度確認しておきたい。
（掲載図は、参照サイト１～５より適宜借用させて頂きました。）
〇フルオライドイオン電池とは、その特徴
・電荷移動体としてフルオライドイオン（フッ化物イオン）を使った電池のこと。（注：フッ素原子が電子を１個得て単独でイオン化した陰イオン (F–) はフッ化物イオンと呼ばれる。昔のフッ素イオンと言う名称は現在推奨されていない。）
・フルオライドイオンは非常に安定していて、広い電位窓（ある電気化学系[溶媒・支持塩・電極の組み合わせ]で有意義な測定可能な電池領域）をもっているから、電池の電荷移動体として高いポテンシャルを持っている。
・ネルギー密度が高いこと。原理的にリチウムイオン電池の少なくとも７倍最大10倍ある。
・その高い理由は、リチウムイオン電池がイオンを収納するもの（ホスト材料）を使いその材料の重量や容積が嵩んでいるのに対し、フルオライドイオン電池はそれ（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ので、エネルギー密度を大幅に上げることができるため。(参照１）
（ただしリチウムイオン電池の充放電特性（リサイクル性）がいいのはこのおかげではある。）
またフッ化物１分子の反応で一度に複数個のフルオライドイオン（つまり電子）が関与するため。
・充放電のフルオライドイオンの移動（上図）
・フッ化物は環境負荷（採集にかかるエネルギー）が小さく、資源的な問題はない。
〇フルオライドイオン電池開発の歴史
・１９７０年代にフッ化物をベースにした電池の研究論文が発表されている。
当時は固体電解質だったので日常的な使用は出来ず実用的ではなかった。
・◎２０１７年までのフルオライドイオン電池の正極、負極の物質の可能性や電解質として液体、固体の両電解質の研究・試作に関して。（特に固体電電解質としてＬa/Ｂa/F＝0.9/0.1/2.9がこの時点で検討されている。
（参照２）
・２０１８年１２月ホンダ・リサーチインスティテュート、カリフォルニア工科大学、NASA等がフッ化物イオン用の液体電解質（BTFE）を発見し、室温で使用可能なフルオライドイオン電池を作る方法を発見していた。（参照３）
・その後２０１９年この液体電解質および電極の改良が京大/日立を中心としてなされた。当時リチウムイオン電池の８倍長持ちするとされていた。（参照4）
・２０２０年３月、京大と国の研究機関（NEDO、RISING、同２）により中性子回折等最新装置を用いて固体電解質のイオン伝導メカニズムが解明された。BaF2(蛍石型)にBaの代わりにLaを４０％加えると伝導度が4桁上昇することが分かった（参照５）
（Tはケルビンで図の右の方が温度が低い。アレニウスプロット参照）
その時の結晶構造とイオンの流れの解析
〇２０２０年8月京大とトヨタは固体電解を使ったＥＶ用フルオライドイオン電池を発表。（日経記事）
・エネルギー密度をリチウムイオン電池の７倍に高められる電池の製造に目途を付けた。
・電極構成はフッ素と銅やコバルトにニッケルを含む正極とランタンの負極で調べ
更に今回電解質に固体電解質（Ｂa/La系か）を使用し、両者の相乗効果で１０００ｋｍ走行の目途を付けた。
・各種課題については負極の材料などを工夫して対応するとしている。
・「１９９１年にソニーと旭化成が製品化したリチウムイオン電池は、今や中国と韓国のメーカーが圧倒的な存在感を放っているが、日本が電池技術のリーダーとなりえる近未来はフルオライドイオン電池が担っているような気がする。」
としつつも、
・元素の組み合わせにはいろいろあり、今後AIを使ったMI（マテリアルズ・インフォマティクス）で開発を行なうようになることが主流になるが、コンピューターを使うこの技術は米国や中国が優位に立つ可能性があると締め括っている。
〇フルオライドイオン電池の課題
・充放電サイクル特性が低いこと
液体フルオライドイオン電池では、改善後でも２０回の充放電サイクルで
３０％ の低下。
・固体電解質型薄膜セルでも３０回で約２５％低下。
（参照１）
・正極金属の膨潤
・固体電解質は現在常温使用できない。（１６０度位の加熱必要）
〇次世代電池が各社で研究されている理由
「電池を制する者が世界を制す」
（技術研究組合リチウムイオン電池材料評価研究センター石黒常務理事）
蓄電池の世界市場は車載用だけでも非常に大きい（３年後６兆円を超える予想）
しかしEVが普及すると街の至る所にあるＥＶが蓄電池群となって再生可能エネルギーを社会全体で使いこなす巨大な蓄電池網を築くことになる。
そして交通、通信技術の進歩とも合わせ社会全体を制することになると考えられている。
＜所感＞
・今回トヨタと京大が発表した固体電解質を使用したフッ化物イオン電池（FIB）はＥＶ走行距離１０００ｋｍの可能性はあるとしても、耐久性（サイクル特性）、コスト、常温使用等いろいろ課題があり解決するまでまだ相当の時間がかりそうだ。
逆にリチウムイオン電池は今後も改良（電極、電解質等）され続けられるだろうからまだ10年以上主流であり続けるとの見方もあり、非リチウム金属イオン電池など各種新型電池の台頭・進歩とも合わせてフルオライドイオン電池の進展をウオッチしていきたい。
＜参考資料＞
・参照１：リチウムイオン電池を凌駕する革新型蓄電池の基礎技術を構築
・参照２：最新フッ素関連トピックス「フルオライドイオン電池」
・参照３：リチウムイオンの数倍高性能――液体電解質を用いたフルオライドイオン電池2018-12-25
・参照４：有機電解液中のフッ化物イオンシャトルを用いた新規二次電池反応の開発
・参照５：フッ化物イオン導電性固体電解質のイオン伝導メカニズムを解明
＜最後に＞
最後までお付き合い頂きありがとうございました。
お疲れになった頭の休憩に動画をどうぞ。そして発表されたフルオライドイオン電池についての再確認も。
２つの動画は同じ内容ですが、非常に分かり易くまたそれぞれの表現方法・技術が興味深かったので敢えて2つとも紹介させて頂きました。
動画１：トヨタと京都大学が開発した「次世代電池」が画期的すぎる！ここから
動画２：トヨタと京都大学が開発中の「フルオライドイオン電池」が画期的すぎる！ここから（意外な言葉の前に小さな音が）
