彦根藩の当主である井伊直孝公をお寺の門前で手招き雷雨から救った
と伝えられる招き猫と井伊軍団のシンボルとも言える赤備え（戦国時
代の井伊軍団編成の一種、あらゆる武具を朱りにした部隊編成のこと）
と兜（かぶと）を合体させて生まれたキャラクタ－。
リチウムー水素電池の概略図：Li−H電池の概略図。挿入図は、充電および放電中のLi−H電
池内のイオン選択的輸送の概略図を示す。
✳️ 充電式リチウム水素ガス
H2の反応を示すためにガスカソード、Li−Hセルを異なる雰囲気で評価
した。Li−Hセルの開回路電位(OCV)は、空気中、ArおよびH中に記録
された.エアーまたはArからHに切り替えた後では、Li−HセルのOCVは
3.51Vまたは3.07Vから3.02Vに急速に減少(図2a)。最終的なOCVは、
Li-Hセルの熱力学的ポテンシャル(~3.04V)に近く、長期間安定して維
持でき、セル反応が触媒Hによって駆動されることを示す。バッテリ
ーが放電したときにHERがカソードで発生したことを証明₂するため、
Li-H₂セルをガスクロマトグラフィー(GC)に接続し、ガス生成物をキャ
リアガスとしてArを使用して分析しました(図S2a)。Hの生成2GCによ
って検出され、0.5mA cm−2からの放電電流とともに増加する1mA cm−2
までこれにより、HERがカソードで発生することが確認されました(図
S2bおよびS2c)。示差電気化学質量分析法(DEMS)は、Hのin situ生成
も証明しLi−H2電池の放電中のガス(図S2dからS2f)。さらに、充電中
にHORがカソードで発生することを確認するため、セルの充電条件
をH2がある場合とない場合で比較した.図2bで明らかにしたように、
H2はないので反応物として、Li−Hセルは適切に充電できず、電圧は
直接4.2Vの上限まで上昇。これは、Arでの充電中にHORが発生しなか
ったことを示。Hにいる間2大気中では、~3.14 V で平坦な電荷プラト
ーを持つ典型的な電荷曲線が観察でき、HOR 反応がカソードで発生
したことを示唆。対照的に、Pt/C触媒なしでは、純粋なH2では、Li
−H2セルは、充電電圧が急に上限(4.2V)に達し、放電電圧が突然下限
(2.5V)に低下する異常な充放電動作を示した。これは、充電および放
電中にPtフリーのカーボン触媒カソードを備えた可逆的なHER/HOR
がないため(図2c)。Pt/C系触媒に置き換えると、セルはフラットな充
電電圧と放電電圧で正常にサイクルでき、Li−H電池の充電および放
電プロセスにおけるカソード反応に関与するPt/C系触媒全体がそれぞ
れHORとHERであることを示唆(図2d)。さらに、300時間休止した後
も、セルのOCVは安定しており(~0.03 V減少)、続いて~2.85 Vで平坦
な放電プラトーが見られ、Li-Hセルの安定した貯蔵およびサイクリン
グ性能を示す(図2e)。なぜなら、H2カソードHER / HORは、異なる
pHの溶液で発生する可能性があり、Li-H電池は、典型的な中性およ
びアルカリ性などの他の純粋な有機酸(図S3)などのすべてのpHカソ
ード電解質に対して普遍性を示し、最大2825Wh kgの高い理論比エ
ネルギーを達成します−1表 S1 にまとめられています。上記のすべて
の結果は、このLi-H電池の化学的性質の構築が成功したことを証明し
た。
図 2：Li-H電池の包括的な電気化学的性能のデモンストレーション。
A-レートパフォーマンス; BCロングサイクル安定性; D-E高温性能; F-
G低温性能
2月14日、中国科学技術大学は水素ガスを従来のようにアノード（負
極）に用いるのではなく、カソード（正極）に用いることでエネルギ
ー密度と動作電圧を大幅に向上させた、新しいリチウム-水素ガス充
電池の開発を発表。
水素ガスは、その優れた電気化学的特性から、安定かつコスト効率の
高い再生可能エネルギーキャリアとして注目されているが、従来のよ
うにアノードに水素ガスを使用する電池は、電圧範囲が0.8～1.4Vに
制限され、エネルギー貯蔵容量も限られる。まず、リチウム-水素（
Li-H）電池のプロトタイプとして、リチウム金属アノード、水素カソ
ードとして機能する白金をコーティングしたガス拡散層、固体電解質
（Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3またはLATP）で構成されたものを設計し、望
ましくない化学反応を最小限に抑えながら、効率的なリチウムイオン
の輸送が可能となる。
実証実験では、このLi-H電池は約3Vの安定した電圧を維持しながら、
理論エネルギー密度2825W/kgを達成。さらに往復効率（RTE）は
99.7％という驚異的な値であり、充放電サイクル中のエネルギー損失
を最小限に抑えて、長期安定性を維持できることを示した。
研究チームは、コスト効率、安全性、製造の簡易性を向上させるため、
リチウム金属が不要なアノードフリーのLi-H電池を開発。この電池は、
充電中に電解質中のリチウム塩（LiH2PO4およびLiOH）からリチウム
を析出させる。標準的なLi-H電池の長所を維持しつつ、さらなる利点
もあることが特徴となっている。
この電池のクーロン効率（CE）は98.5％であり、効率的にリチウムめ
っきと剥離できる。また、低い水素濃度でも安定して動作するため、
高圧水素貯蔵への依存度を低減できという。研究では、電解質中でリ
チウムイオンや水素イオンがどのような挙動を示すのかを理解するた
めに、密度汎関数理論（DFT）シミュレーション。などの計算モデリ
ングも実施。従来のニッケル-水素電池と比較して、Li-H電池はエネル
ギー密度と効率が向上しており、次世代の電力貯蔵の有力候補になり、
アノードフリーのLi-H電池は、よりコスト効率が高く、拡張性のある
水素ベースの電池の基礎となる。今回の成果は、再生可能エネルギー
グリッドから航空宇宙技術まで、さまざまな応用に展開できると期待
する。
図 3
Li−H電池の電気化学的性能。
(a)固定容量モード(固定容量:0.25 mAhcm−2)におけるLi−Hセルの静
電放電プロファイルとRTE(挿入図))電流密度0.025、0.05、0.1、0.15
、0.25、0.5、1.0、および2.5mA cm−2.
(b)異なるサイクルにおけるLi−Hセルの静電電圧プロファイル。
(c)0.5mAcm−2の電流密度での長期サイクル性能とRTE1.0 mAh cm−2
の固定容量.
(d)14.5MカソードHを備えたLi-Hセルの完全放電/充電状態での放電/
充電曲線3発注書4電流密度0.5mAcmの電解液−2.
(e) 低コストのRu/C正極触媒を用いたLi−H電池のサイクル性能
(f)さまざまな高温でのLi-Hセルのガルバノスタティック電圧プロファ
イル。
(g) 60°CでのLi-Hセルの長期サイクル性能とRTE.
(h) -20°Cでの異なるカソード電解質を用いたLi-Hセルの静電圧プロフ
ァイル
(i) -20°CでのPAMハイドロゲルベースのカソード電解質を用いたLi-H
セルの長期サイクル性能。
その後、Li-H電池を異なる電流と容量で評価した。0.5 mA cm−2(の電
流密度で、1900時間(480サイクル)にわたって91±2.5 %の安定した
RTEという印象的なサイクリング安定性が観察⓵できた。1 mAh cm−2
の固定容量で図3c)。Li−Hセルの電圧プロファイルは、0.20〜0.36V
の低過電位で滑らかなプラトーを示すことにより、安定した充電と放
電を示唆しています(図3b)。これは、長期試験中の環境温度変化にあ
る程度影響されます。セルは、1.0mAcm−2のより高い電流密度でサ
イクルすることもできます、800サイクルで安定したサイクリング性
能を達成します(図S4a)。さらに、セルは5mAhcmの大きな放電容量
でテストされましたそれらの実用的なアプリケーションを実証(図S4b)。
Li-Hセルは、0.5mAcm−2の電流密度で1000時間安定して動作。充電
と放電の持続時間はサイクルあたり10時間。
プロトンに富む電解質の利用を検討するために、Li-Hセルはさまざま
な放電深度(DOD)で一連のテストを受けました。結果は、Hの濃度が
異なることを示唆しました。電解質は、プロトン含有量が異なり、
Li-H電池のOCVに違いを引き起こす可能性がある(図S5a)。さらに、
濃度が高いほどプロトン含有量が多くなり、バッテリーの容量が大き
くなる(表S2)。驚いたことに、12MHのバッテリー・電解質は、約7.0
1mAhの容量を提供、87.2%のDODを達成(図S5c)。また、Li-Hセルの
DODは、高濃度14.5 MHで95.7%に到達する（図3d)。ラボレベルの
バッテリー組み立てプロセスで電解質が必然的に失われることと、電
極を濡らすために液体電解質が必要になり、100%の利用率を達成す
るのは難しい。
バッテリーの速度とサイクル性能は、その優位性と実用化を評価の鍵。
図3aに示すように、Li-H電池のレート性能は、0.025〜2.5mAcm−2の
さまざまな電流密度で調査されました.驚くべきことに、Hの速い酸化
還元動態により2ガスカソードとLi-metalアノードの低メッキ/ストリ
ッピング分極、当社のLi−Hバッテリは、0.025mA cm−2の電流密度で
7.9mVの低過電位と99.7%の高い往復効率(RTE)を示しす顕著な放電プ
ラトーは~2.99Vで、これは他のガスや従来のカソードと同等または
それ以上。5b、5e、5g、17 放電電流密度が0.5mAcm−2に増加すると、
バッテリーの充電電圧と放電電圧はそれぞれ 3.11 V と 2.86 V で、過
電位は ~0.25 V と低く、RTE は ~91.8 % と高くなっています。2.5
mAcm−2の高電流密度でも、Li−Hバッテリは依然として~2.5Vのフラ
ット放電電圧と70.4%の妥当なRTEを示す。
Li−H電池の高DODによるサイクリング安定性は、15μL、14.5M、H、
2mAhの設定容量でさらに評価された。図S5dに示すように、バッテ
リーは450時間以上(55サイクル)安定してサイクルでき、DODは~34.3
%。また、このバッテリーは、5mAhの大容量(サイクルあたり20時間
持続時間)と51.4%の高いDOD(図S5e)で安定したサイクリングを維持
でき、プロトンリッチな電解質を高い利用率でLi-Hバッテリーの優れ
た安定性をさらに証明。さらに、HER反応の普遍性により、Li-H電池
には費用対効果の高い代替触媒を使用できる。図3eに示すように、
Pt/C触媒の代わりに低コストのRu/C触媒を適用したところ、500時間
にわたって安定したサイクリング性能を示し、~93%の安定した高RT
Eを示した。これは、新しいLi-H電池の化学的性質が異なるカソード
電極触媒との普遍性をさらに証明した。
2️⃣ 実験方法
密度汎関数理論計算 DFT を使用した量子化学計算は、Gaussian09W
および GaussView5.0 ソフトウェアを使用して実施。選択された電解
質種の最高被占分子軌道 (HOMO)、最低空分子軌道(LUMO)、および
エネルギー レベルの計算には、B3LYP 関数と 6-311G(d, p)基底セッ
トを採用。SEs の溶媒和構造の Ab Initio 分子動力学(AIMD) シミュレ
ーション すべての AIMD シミュレーションは、平面波擬ポテンシャ
ル コードである Vienna Ab initio シミュレーション パッケージを使
用して実行。交換エネルギーと相関エネルギーを評価に、一般化勾配
近似内の Perdew-Burke-Ernzerhof 関数を適用。波動関数は400 eV
のカットオフ エネルギーまで拡張され、スミアリング幅が0.2 eV の
1 次 Methfessel-Paxton スキームが採用された。ファンデルワールス
相互作用は、Grimme の半経験的D3 分散補正スキームによって考察。
非スピン分極は、全体のエネルギーにほとんど影響を与えないため、
すべてのシミュレーションに含まれていた。時間ステップは1 fsに設
定され、対称性を考慮せずにブリルアンゾーンのガンマ点のみが使用
されました。ノーズ・フーバーサーモスタットを使用して、正準集団
の温度を300 Kに保つ。
電解液の調製 典型的な従来の電解液である1.0 M LiPF6 (エチレンカー
ボネート(EC)：エチルメチルカーボネート(EMC)=3:7)からなる典型的
な従来の電解液をベンチマーク(E-ベースライン)として使用した。
をベンチマーク（E-ベースライン）とした。電池グレードのテトラフ
ルオロホウ酸リチウム（LiBF4）は、Shenzhen Capchem Technology
Co. Shenzhen Capchem Technology Co. Ltd.、テトラメチレンスル
ホン（TMS、Sigma-Aldrich、 99％）、リン酸トリス（2,2,2-トリフ
ルオロエチル）（TTFEPa、Aladdin、GC）、フルオロエチレン 炭酸
フルオロエチレン（FEC、バッテリーグレード）、EC（バッテリーグ
レード）を購入し、過度の予備活性化モレキュラーシーブで乾燥させ
た。過度の予備活性化モレキュラーシーブ（Aladdin、4 Å）で乾燥さ
せた。電解質の調製電解液の調製は、精製アルゴンを充填したミクロ
ーナ製グローブボックス内で行った。
水の含有量は0.01ppm以下に維持された。安全な局在高濃度電解質（
LHCE）（E-SEおよびE-SE-F）は段階的に調製した。まず、 LiBF4を
TMSに1:2のモル比で溶解し、高濃度電解質(HCE)を得た。電解質（
HCE）を得た。その後、LiBF4と等価モルのTTFEPaをHCEに導入した。
をHCEに導入してE-SEを得た。 E-SE-Fは、LiBF4に対して0.2当量モ
ルの 当モルのFEC（LiBF4に対して）をE-SEに導入してE-SE-Fを調製
した。
SEの溶媒構造に関するラマン分光法 純粋なTMS、純粋なTTFEPa、
LiBF4-TMS（モル比1:2）HCE、LiBF4-TMS（モル比1:9）、E-SE、お
よびE-SE-Fのラマンスペクトルが、532 nmの励起波長（レーザーパ
ワー50 mW）を持つRenishaw inViaラマン分光計で収集され、1600
cm−1から200 cm−1の周波数範囲内のスペクトルが記録された。
📌実験セクションPt/Cカソードの準備。Pt/Cカソードは、商業的な
Pt/C粉末とPVDFバインダーを質量比9:1でNMP溶媒に混合し、一晩
激しく撹拌して準備された。得られたスラリーはGDLの片面に鋳込み、
真空オーブンで60℃で12時間完全に乾燥。Pt/Cの質量負荷は0.1 mg
cm-2に制御された。Ru/Cカソードは同じ方法で製造したが、Pt/Cの
代わりに商業的なRu/C粉末が使用した。Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LAT
P)固体電解質の準備。通常、LATP粉末(0.4 g)は25トンの圧力で2分間
押し固められ、室温で直径12.7 mmまたは18.0 mmの円盤を形成。
得られた白い円盤は、850℃で10時間焼結され、プログラムされた加
熱速度10℃ min-1で自然冷却。Li3PO4充填Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (
LATP)固体電解質の準備。通常、Li3PO4粉末(0.5 g)は20 mLのDMSO
溶液に溶解。そして、懸濁液を形成するために継続的に撹拌。この懸
濁液の10〜15µLを取り、用意されたLATPペレットの片面に均等に滴
下した。得られた加工されたLATPペレットは、850℃で2時間焼結さ
れ、プログラムされた加熱速度は10℃/分で自然冷却した。再結晶化
LiH2PO4または混合LiOHとLiH2PO4固体電解質の準備。通常、異な
る量のLiH2PO4または混合LiOHとLiH2PO4の水溶液をGF/8または
GF/Bに滴下し、その後、80℃の ovensで12時間真空乾燥した。テス
ト中、10〜20µLのH3PO4が電解質とカソード触媒の界面を濡らすた
めに追加されました。PAMハイドロゲル電解質の準備。ハイドロゲル
電解質は、5.8gのAMを20mLの溶液に溶かし、その後28.5mgのAPS
と3.5mgのMBAAを加えることによって準備されました。固体が完全
に溶解するまで、溶液は厳格に撹拌されました。その後、溶液はゴム
製の型（厚さ1mm）に注入、ガラスプレートで覆う。
サンプルは完全な重合が進み、ゲルを形成するために80℃で12時間
保持した。ゲルは電解質（1 MLiTFSIを12 M H3PO4に溶解）に2時
間浸し、その後80℃で3時間乾燥した。スワゲロックセルの製作。ス
ワゲロックセルは、ステンレススチール製の入口および出口バルブ、
Klein Flange（KF）からスワゲロックアダプターへのポリテトラフル
オロエチレン（PTFE）中心のOリングによってクランプで構成され、
これはの以前の研究でよく開発された。[1] 通常、アノード部分はア
ルゴン充填のグローブボックス（Vigor、O2 < 0.1 ppmおよびH2O
< 0.1 ppm）内で、リチウムフォイル（厚さ450µm）、片側に穴の
ある2025型コインセル内のLATP固体電解質を積み重ねることで、組
み立てられた。上記のアノードはグローブボックスの外に移され、そ
の後、プロトンが豊富な電解質で満たされたGF/Bと一緒にPt/Cカソ
ードと挟み込まれ、スワゲロックセル内の典型的なコインセルスタッ
クに組み立てた。プロトン豊富な電解質で満たされたGF/Bは、2025
型コインセルの提供された穴を通じてLATP固体電解質と直接接触。
2025型コインセルの両側は、耐腐食性の接着テープとパラフィルム
で保護され、高純度のTiメッシュがカソードの導電性電流コレクタと
して使用され、可能な汚染や副反応を避けた。カソードでは、Pt/C
コーティングされた面がプロトン豊富な電解質で満たされたGF/Bと
直接接触し、もう一方の面はガス拡散層として使用した。アノード側
の電解質2は15µLの1.0M LiPF6ベースの有機液体電解質であり、カソ
ード側のプロトン豊富な電解質は12M H3PO4中の1M LiTFSIの25µL。
カソード側のプロトン豊富な電解質の利用試験用は、GF/8を用いた
10M、12Mまたは14.5M H3PO4溶液中の0.1M LiH2PO4、25µL。
絶縁PTFEフィルムがステンレス鋼KFアダプターの陰極側の外面に置
かれ、クランプで封止することにより陰極と陽極を電気的に絶縁した。
高純度水素ガス（99.99%、Airgas）が組み立てられたセルに充填さ
れ、閉じ込められた空気を除去。その後、バルブがロックされ、スワ
ゲロックセルが密閉状態でテストされた。陽極フリーLi-Hセルでは、
純粋なLiフリーのCu箔電流コレクターが陽極として使用され、LATP
とCu箔の間にわずかな量（15µL）のLiTFSI/DOL-DMEベースの有機
電解質で飽和させた単層sAl2O3/PEが挟む。陽極フリーLi-Hセルの陰
極上の電解質は再結晶化されたLiH2PO4または混合LiH2PO4および
LiOH固体電解質で、効果的な反応面積は1.0cm2。陽極フリーセルの
他の構造と組成はLi-Hセルと同様に製造されました。電気化学的測定。
セルのすべてのガルバノスタティック充放電およびオープン回路電圧
測定は、VMP3電気化学ワークステーション（Biologic、フランス）
およびバッテリー試験システム（LandHeおよびNeware）でテストさ
れました。ガルバノスタティック充放電測定では、充電プロセスには
カットオフ容量を持つ定電流技術が、放電プロセスにはカットオフ電
圧を持つ定電流が適用した。
図3bの長期サイクリングテスト中、1000時間の運転後にセルにH2を
補充。H2利用の試験プロセス中、Li-Hスワジェロックセルをほぼ大気
圧のArグローブボックス内で組み立てて密封し、その後、グローブボ
ックスからセルを出して関連するテストを行いました。1MHzから100
mHzの周波数範囲の電気化学インピーダンススペクトルは、Biologic
VMP3マルチチャネル電気化学ワークステーションを使用して収集。
ガスクロマトグラフィー測定は、ArをキャリアガスとしたGC-2014C
ガスクロマトグラフ（島津製作所）で行われた。低温試験に使用され
る冷凍庫は、-20℃に設定し、機械自体には圧縮機の間欠運転から生
じる±2℃の固有温度変動がある。特性評価。走査型電子顕微鏡（SE
M、JEOL-6700F）を使用、Pt/C粉末とLATP固体電解質の形態、サイ
ズ、構造を特性評価しました。粉末X線回折（XRD）パターンは、グ
ラファイト単色化Cu Kα放射線を装備したPhilips X’Pert PRO SUPER
X線回折計で収集された。X線光電子分光法（XPS、Thermo ESCALA
B 250Xi）は、Al Kα源を用いて実施された。実際のバッテリーにおい
てLATP固体電解質とGF支持プロトン豊富な電解質の界面にSEMイメ
ージングとXRD試験を行うために、まずバッテリーを空気中で開け、
アノードコインセル部分を直ちにグローブボックスに移す。
LATP固体電解質は取り出され、両面の電解質を除去するために無水
アルコールで洗浄されました。洗浄されたLATP固体電解質は、真空
オーブンで80℃で一晩乾燥され、特性評価のために封印。実際のバ
ッテリーでサイクル後のリチウム金属表面の固体電解質界面（SEI）
に対してSEMイメージングとXPSテストを実施するため、まずバッテ
リーのアノードがアルゴン充填のグローブボックスで開かれた。
Li金属陽極は、開いたバッテリーから取り出され、電解質を除去に
DMCで洗浄した。きれいで自然乾燥した陽極は封印され、水分や酸
素への露出を避けるために迅速にSEMまたはXPS機器に移された。
陽極フリーのLi-HセルのCu表面のSEIも、Li金属-Hセルと同様の操作
手順で特性評価されました。すべての断面サンプルは、SEM観察の
前にイオンビームポリッシャーで研磨され、明確で本物のLi堆積モル
フォロジーを示した。
微分スキャンカロリメトリー（DSC）は、DSC Q2000で-90℃から室
温まで5℃/分の速度でスキャンすることによって行われました。DEM
Sテスト。典型的なLi-HバッテリーがH2の事前充填なしに組み立てた。
スワゲロックセルは、ガスの入口と出口として2本のチューブでDEMS
（リンルインスツルメンツ、上海、中国）に接続。高純度のアルゴン
ガスがキャリアガス及び精製ガスとして使用。電気化学反応の前に、
密閉型電解セルはデバイス内部の空気を排除に、1.2 mL min-1のアル
ゴンガスで20分間清浄化した。その後、リチウム-水素電池は放電段
階（陰極での水素発生反応）に設定され、電流密度は1.0 mA cm-2に
保たれた。一方、キャリアとしてのアルゴンガスの流量はH2検出を促
進するために2.4 mL min-1に維持された。
図S2dのy軸は、元の単位F（ppm）からガス生成速度（nmol min-1）
に次の式で変換した。
固体 NMR テスト。核磁気共鳴 (NMR) (Bruker AVANCE III 400 WB,
20 ℃) が固体 NMR テストに利用された。いくつかの純粋な LATP を
使用した Li-H バッテリーが、典型的なプロトン豊富な電解液を用い
て組み立てられ、電流密度 0.5 mA cm-2 でサイクルした。サイクル
されたバッテリーは分解され、その後 LATP 顆粒は DI 水とエタノー
ルを用いて 3 回注意深く洗浄された。焼成後、2 種類の LATP 粉末が
さらに収集された。
固体 NMR テスト。核磁気共鳴 (NMR) (Bruker AVANCE III 400 WB,
20 ℃) が固体 NMR テストに利用。いくつかの純粋な LATP を使用。
Li-H バッテリーが、典型的なプロトン豊富な電解液を用いて組み立
てられ、電流密度 0.5 mA cm-2 でサイクルした。サイクルされたバ
ッテリーは分解され、その後 LATP 顆粒は DI 水とエタノールを用い
て 3 回注意深く洗浄された。焼成後、2 種類の LATP 粉末がさらに収
集された。タイプ1は、陽子が豊富な電解質に面した調製済みLATPペ
レットの表面をこすることにより収集され、これは表面と呼ばれる。
そしてタイプ2は、残りのLATPペレットであり、これはバルクと呼ば
れる。
エネルギー密度とエネルギーコストの計算：理論的エネルギー密度は、
固体リチウム塩とH2の放電生成物の質量に関して、1電子移動Li+/L
iおよびH+/H2反応に基づいて計算され、最大2825 Wh kg-1に達した。
アノードフリーLi-H電池で達成されたエネルギー密度は、活性材料や
それらのカソード触媒の利用（mPt/CまたはmRu/C = 0.0001 g）、
GDL（mGDL = 0.0251 g）、H2（125%、mH2 = 0.0018653 g）、
リチウム塩（75%、mLiH2PO4 = 0.058158 gおよび50%、mLiOH =
0.008934 g）、Cu箔（mCu = 0.00358 g）、有機電解質（moe =
0.0000059 g）、sAl2O3/PEフィルム（mp = 0.003 g）、GF（mgf =
0.0157 g）、LATP固体電解質（mLATP = 0.15727 g）および湿潤用
の過剰10% H3PO4（mH3PO4 = 0.007311 g）を含む成分の重さに
基づいて約177 Wh kg-1。
ただし、鋳造材料（すなわち、ステンレス鋼のセルケース、Tiメッシ
ュ）を研究所レベルでの通常の推定として考慮しない。H2ガス貯蔵
タンクの圧力容器の重量は、従来のNi-H2バッテリーに基づくセル設
計工学を参照し、総重量の11％に制御される見通し。
[2] 固体電解質と有機電解質の重量は、図S17aに示されるように、ア
ノードセルケースの穴のサイズ（1.0 cm2）の反応有効面積から計算
される。同様に、バッテリーの達成されたエネルギーコストは、上記
の材料に依存する。
エネルギー密度の計算における容量と電圧の値はそれぞれ20 mAhと
2.8 V。より詳細な計算内容は表S3を参照。
シミュレーションの詳細：すべての計算は、ペルデュー-バーク-エル
ンツァーホフ（PBE）関数によって定義された一般化勾配近似（GGA）
内でウィーン・アブ・イニシオ・シミュレーションパッケージ（5.4.
4 VASP）に実装された標準DFTを使用。
[3] エネルギーカットオフは520 eVとし、ブリルアンゾーンは、幾何
最適化と自己無矛盾計算のためにモンクホルスト-パックスキームグ
リッドを使用して3×3×1のk点でサンプリングした。すべての原子位
置は完全に緩和され、各原子にかかる力が0.02 eV Å-1未満になるま
で行われ、エネルギーの収束基準は10-5 eVに設定した。
LATPのために、図S14aに示すように、6ユニットを持つスーパーセル
を用いてLi8Al2Ti10P18O72のシミュレーションセルが確立された。
近接するM1サイト間のLiジャンプと近接する酸素サイト間のHジャン
プの最小エネルギーパス（MEP）は、ヌッジされた弾性バンド（NEB
）法によって得られた。
[4]補間反応経路のNEB画像に作用する総力の閾値は0.02 eV Å-1に設
定された。図4cの色付き電荷密度差では、黄色とシアンの色がそれぞ
れ電荷の蓄積と電荷の枯渇ゾーンを表しています（等値面の値は0.002
eV Å-3）。図S14bに示されるように、リチウムの移動計算には1つの
リチウム空孔が、TiO6八面体、PO4四面体の隣にある水素移動の計算
には2つ、AlO6八面体の隣にある水素移動の計算には3つの水素空孔
が提供されました。１４.５M H3PO4陰極電解質モデルを用いたLATP
(002)表面のシミュレーションセルには、Li16O144Al4 P36 Ti20、３
のH3PO4および２８のH2O分子が含まれ、高濃度H3PO4電解質（
１４.５M）とLATPとの界面のために確立した。
水性陰極電解質モデルを用いたLATP (002)表面のシミュレーションセ
ルには、Li16O144Al4 P36 Ti20および６０のH2O分子が含まれ、水と
LATPとの界面のために確立されました。第一原理分子動力学シミュレ
ーションは、300Kでの正準アンサンブル（NVT）を用いて実施され、
合計期間は10.0 ps、ステップ長は1.0 fs。
一部のデータはVASPKITによって処理した。DFT-D3法を用いてファ
ン・デル・ワールス補正を考慮した。シミュレーション時間は電解質
系の平衡状態に到達するのに十分な長さでした。結合バレンス（BV）
計算は3DBVSMapperパッケージを使用して実施した。相互作用領域
指標（IRI）分析はMultiwfnによって処理した：5 図S1。
スワゲロック型Li-H電池の設定：6 図S2。Li-H電池のGCおよびDEM
S分析。
（a）Li-H電池のGC分析セットアップ。異なる放電電流密度下での12
.5 M H3PO4カソード電解質を用いたLi-H電池のH2生成量の変化
（b）および対応する放電曲線
（c）14.5 M H3PO4カソード電解質を用いたスワゲロックLi-H電池
におけるH2発生のDEMS分析
（d）スワゲロックLi-Hバッテリーの対応する電圧プロファイル
（e）バッテリーのガス経路が緑で強調表示されたDEMSシステムの
実験設定
（f）7 図S3。H2ガスカソードバッテリー化学の普遍性。
（a）中性およびアルカリ性カソード電解質を伴うLi-H電池の定電流
電圧プロファイル。その他の典型的な酸性カソード電解質である
（b）ギ酸（HCOOH）および（c）酢酸（CH3COOH）を伴うLi-H電
池の定電流電圧プロファイル。
📌有機材料を使わない全固体型のリチウム－空気電池 産総研
2012/11/05
前回、トヨタ自動車・豊田中央研究所の全固体型（ハイブリッド含む
金属）蓄電池の特許事例で先進技術の実用性を掲載しているが、産総
研で電解質や電極材料に液体や有機材料を用いない無機化合物の固体
だけで構成する「全固体型のリチウム－空気電池」の開発を12年前に
公表しているので参考に触れておく。電解質として無機固体電解質を
用いて、有機電解液等を使わない、安全性の高いリチウム－空気電池、
図1 有機電解液を用いた従来のリチウム－空気電池（左）と無機固
体電解質を用いた新型リチウム－空気電池（右）のイメージ図
リチウム－空気電池はリチウムイオン電池の発展型の蓄電池であり、
理論的にはリチウムイオン電池の5～8倍の重量エネルギー密度を持つ
ことが期待されている。現在のところ、従来よりリチウムイオン電池
に用いられてきた有機電解液などの材料をリチウム－空気電池に用い
ると充放電中に分解・反応してしまうため、より安定な材料が探索さ
れている。一方、携帯機器用のリチウムイオン電池では発火等の事故
例があるが、電池が大型化すると蓄積されるエネルギー量も増大する
ため、安全性の向上がより重要となる。電気自動車だけでなく、家庭
や発電施設等での余剰電力用蓄電池としても期待できるとしている。
長期サイクル試験後、カソードPt/C触媒に固体副生成物が見つからな
かったことは驚くことではない。これは、走査型電子顕微鏡(SEM)お
よびX線光電子分光法(XPS)によって確認されたように、サイクリング
中の非常に可逆的な陰極HER/HORによるもの(図S6)。また、H2長期
イクル後のカソードはリサイクルして新品のセルに適用でき(図S7)、
Li-H電池での堅牢性が実証されています。同時に、サイクリング後の
Li-metalアノード表面のSEIの形態と組成を解析(図S8)。その結果、
イクルされたLi金属の表面に高密度のSEIが形成されていることがわ
かる。XPS分析は、サイクルされたLi金属上のSEIの特徴をさらに明ら
かにするために実施された。LiFが豊富なLi2O-free SEIは、LATPの高
いLiイオン輸送特性と優れた選択性により検出され、LiFリッチSEIが
Liイオンの均一かつ迅速な移動を促進する。これは、Li−H細胞が安定
した長期サイクルを達成できるように、安定したSEIの形成にとって重
要となる。
【関連情報】研究成果は、
『Angewandte Chemie International Edition』誌に2024年11月30日
付で公開。
・USTC Develops High-Performance Rechargeable Lithium-hydrogen
Gas Batteries
・中国科大首次报道可充电锂金属-氢气电池
・論文DOI：https://doi.org/10.1002/ange.202419663
この項つづく
【菅田将暉＆小松菜奈】映画『糸』MUSIC VIDEO (中島みゆき「糸」)
● 今日の言葉：もっと情熱を！
春が来ても、鳥たちは姿を消し鳴き声も聞こえない。
春だというのに自然は沈黙している。
