› リチウム空気電池 エネルギー密度シミュレーター 戻る
次世代電池・Li-Air

リチウム空気電池 エネルギー密度シミュレーター

「次世代蓄電の Holy Grail」と呼ばれるリチウム空気電池 (Li-O₂ / Li-CO₂)。理論 11,430 Wh/kg のポテンシャルと、酸素アクセス・OER 過電圧・サイクル劣化に阻まれる現実とのギャップをリアルタイムに可視化します。セル系・電圧・サイクル数を変えて、実用エネルギー密度と往復効率を比較してみてください。

パラメータ設定
セル系（化学組成）
理論エネルギー密度と実用係数を自動設定
正極面密度
mg/cm²
多孔質炭素正極の面密度。容量と通気性のトレードオフ
放電電圧 V_disch
V
充電電圧 V_ch
V
OER 過電圧でほぼ決まる。触媒で 3.5V 以下を狙う
酸素アクセス比
%
細孔閉塞 (Li₂O₂ 析出) と GDL 透過性の合成
サイクル数
電解液質量
g
計算結果
—
理論エネルギー密度 (Wh/kg)
—
実用エネルギー密度 (Wh/kg)
—
放電/充電電圧差 (V)
—
往復効率 RTE (%)
—
Li-ion 比 (倍)
—
サイクル劣化 (%)
—
セル断面 — Li 負極 / 多孔質正極 / Li₂O₂ 析出

放電時：Li⁺ が電解液中を移動し、多孔質正極で O₂ と反応して Li₂O₂ が析出します。サイクル数を上げると細孔閉塞で青の Li₂O₂ 領域が広がり、酸素アクセスが低下します。

エネルギー密度 vs サイクル
化学組成別 — 理論/実用エネルギー密度の比較
理論・主要公式

$$2\,\mathrm{Li} + \mathrm{O}_2 \;\rightleftharpoons\; \mathrm{Li}_2\mathrm{O}_2,\qquad E_{\text{theory}} = 11{,}430\ \mathrm{Wh/kg}$$

Li-O₂ 非水系の主反応と理論エネルギー密度。活物質の O₂ をセル外から供給するため Li-ion の約 40 倍となる。

$$\mathrm{RTE} = \dfrac{V_{\text{disch}}}{V_{\text{ch}}} \times 100\%,\qquad \Delta V = V_{\text{ch}} - V_{\text{disch}}$$

往復効率 RTE と電圧ヒステリシス ΔV。OER 過電圧 (≈1V) が支配し、典型 Li-O₂ で RTE ≈ 65%。

$$E_{\text{practical}} = E_{\text{theory}} \cdot k_{\text{cell}} \cdot e^{-N/500} \cdot \dfrac{\eta_{\mathrm{O_2}}}{100}$$

実用エネルギー密度。k_cell：セルパッケージ含む実用係数、N：サイクル数、η_O₂：酸素アクセス比 (%)。サイクル数 500 で約 1/e に減衰するモデル。

リチウム空気電池 理論容量・実用効率 — 次世代蓄電

🙋
先生、「リチウム空気電池」って名前は聞いたことあるんですけど、なんで Li-ion の 40 倍とか言われるんですか？理論値で 11,430 Wh/kg、ガソリンと同等って書いてあって、ちょっと信じられないんですが…
🎓
気持ちはわかる。種を明かすと「正極の活物質を電池に積まなくていいから」なんだ。普通の Li-ion はコバルトやニッケルの遷移金属酸化物を正極に詰め込んでいる。それが重い。Li-O₂ 電池は正極の活物質を「空気中の O₂」にしているから、セル質量から正極活物質をほぼ消せる。残るは Li 金属負極（3860 mAh/g という超高容量）と多孔質炭素の骨格だけ。だから理論値は 11,430 Wh/kg まで跳ね上がる。これは単位質量の発熱量でガソリン (≈12,000 Wh/kg) とほぼ同じ。EV や航空機電動化にとって夢のような数字なんだよ。
🙋
じゃあ実用値はどのくらいになるんですか？シミュレーターでデフォルトの Li-O₂ DMSO・100 サイクルだと、実用が 1965 Wh/kg って出ました。理論の 17% しか出ていません。
🎓
いいところに気づいた。理論値はあくまで活物質だけの理論で、現実のセルでは (1) 電解液 (DMSO や TEGDME)、(2) セパレータ、(3) 集電体、(4) 容器 が全部質量に入る。さらに正極の細孔のうち酸素が届けるのは一部だけ。研究室で最高水準のセルでも 1000 Wh/kg 前後、商用試作で 300〜500 Wh/kg というのが現実だ。それでも Li-ion (250〜300 Wh/kg) を超えるから意味はあるんだけどね。シミュレーターの「実用係数 0.30」がパッケージング含めた loss を表していて、さらに酸素アクセス比 70% とサイクル劣化 exp(-100/500)=0.819 を掛けているから、11,430 × 0.30 × 0.7 × 0.819 ≈ 1965 Wh/kg になる。
🙋
あと、放電 2.6V／充電 4.0V って差が 1.4V もありますよね。これって普通の電池でこんなに違うものなんですか？往復効率 65% って Li-ion の 95% に比べてだいぶ低いです。
🎓
Li-O₂ の最大の課題がそこなんだ。これは「OER (酸素発生反応) の過電圧」と呼ばれる現象。放電で生成した Li₂O₂ は絶縁体で、しかも反応はガス／固体／液体の三相境界 (TPB) でしか進まない。充電して Li₂O₂ を分解しようとすると、巨大な過電圧を乗せないと電子が流れない。結果、充電電圧が 4V を超えて電解液も分解してしまう。MIT の Yang Shao-Horn 先生、ANL の Khalil Amine 先生、IBM Almaden の研究グループがこの OER 触媒を必死で探している。RuO₂・MnO₂・Pt 系・グラフェン担持などを試して、3.5V 以下を目指しているのが現状。
🙋
セレクトボックスに「全固体 Li-air」「Li-CO₂」もありますね。これは何が違うんですか？
🎓
全固体 Li-air はガーネット LLZO や硫化物固体電解質を使って電解液分解を回避する方向。トヨタ CRDL や産総研、CSIRO の Maria Forsyth らが活発に研究している。理論値は液系と同じ 11,430 Wh/kg だけど、実用係数を 0.45 まで上げられる見込み。Li-CO₂ は活物質が CO₂ で、5Li + 4CO₂ → 2Li₂CO₃ + C と進む。理論値は 1,876 Wh/kg と低いけど、CO₂ 利用 (CCU) や火星探査用途で MIT、北京理工、産総研が注目している。日本では NEDO の RISING2／RISING3 プロジェクトでこれら次世代電池をまとめて開発中だ。商用化は早くて 2030 年代後半、用途は EV の長距離型や航空機 PHEV と見られているよ。

よくある質問

Li-O₂ 電池では正極活物質である酸素を電池外（大気）から供給するため、セル質量に正極活物質を含めなくてよく、Li 金属負極の極めて高い理論容量 3860 mAh/g と組み合わせることで、理論エネルギー密度は 11,430 Wh/kg に達します。これは Li-ion (250〜300 Wh/kg) の約 40 倍、ガソリンの発熱量 (12,000 Wh/kg) とほぼ同等です。ただしこれは活物質ベースの値で、実セルでは電解液・セパレータ・集電体・容器を含めるため、現状の実用値は 300〜500 Wh/kg 程度に留まります。
Li-O₂ では酸素発生反応 (OER) の過電圧が 1V 以上と大きく、放電電圧 ≈ 2.6 V に対して充電電圧 ≈ 4.0 V を要します。RTE = V_disch / V_ch ≈ 65% となり、Li-ion の 90%+ に比べ大幅に劣ります。原因は (1) 絶縁性の Li₂O₂ が正極表面に析出して反応界面を塞ぐ、(2) 適切な OER 触媒が未確立、(3) 副反応（炭酸塩生成、電解液分解）です。MIT Yang Shao-Horn ら、ANL Khalil Amine らがこの課題に取り組んでいます。
Li-O₂ 非水系 (DMSO/TEGDME) は最も研究が進み理論 11,430 Wh/kg・実用効率 30% 程度。Li-O₂ 水系は LiOH を生成し理論値は半減 (5,790 Wh/kg) しますが安定性は高め。全固体 Li-air はガーネット LLZO や硫化物固体電解質を用い、電解液分解を抑え寿命とエネルギー密度の両立を狙います（理論同等、実用 45%）。Li-CO₂ は CO₂ を活物質とし理論 1,876 Wh/kg と低めですが、火星探査や CCU 用途で注目されています。
2026 年現在、Li-Air はまだラボ規模で、サイクル寿命は 100 サイクル未満が一般的です。日本では NEDO RISING2/RISING3 プロジェクトで産総研・京大・トヨタ CRDL らが協働、米国は IBM Almaden Battery 500 や ANL JCESR、豪州 CSIRO Maria Forsyth らが取り組んでいます。商用化目標は 2030 年以降、用途は航続距離が支配的な EV と航空機電動化 (NASA NEAT) が想定されています。短期的には Li-S や全固体 Li-ion の方が早く実装される見込みです。

実世界での応用

EV 長距離型・航続 1000 km 級：現行 Li-ion EV はセル 250 Wh/kg 級で航続 500 km が上限。Li-Air が実用 500 Wh/kg を超えれば同じバッテリー重量で航続が倍になり、SUV／トラックでも電動化が成立します。トヨタは全固体 Li-ion を 2027 年、Li-Air を 2030 年代後半の次の選択肢として位置付けています。

航空機電動化 (eVTOL / リージョナル機)：航空機は重量制約が極端に厳しく、Li-ion (250 Wh/kg) では小型機の片道 200 km が限界。NASA NEAT (Next-generation Electric Aircraft Technology) プログラムでは 800 Wh/kg 以上の電池を前提に PHEV ターボファン機を検討中。Li-Air は理論的にこの要求を満たせる唯一の二次電池系として位置付けられています。

火星探査・宇宙用 (Li-CO₂)：火星大気の 95% は CO₂ で、Li-CO₂ 電池は探査機にとって「現地調達酸化剤」となります。MIT・北京理工が試作レベルで実証。地球上でも CO₂ 利用 (CCU) の一手段として、製油所や火力発電所の排ガスを活物質に変える研究が進んでいます。

定置型大規模蓄電：再エネ余剰の長期 (季節間) 蓄電では、Wh/kg よりも Wh/$ と寿命が重要。Li-Air は現状サイクル <100 のため定置型には不向きですが、全固体化で 1000 サイクル超を達成すれば、容積エネルギー密度が高い分、設置面積で Li-ion を圧倒する可能性があります。

よくある誤解と注意点

最大の落とし穴は「理論エネルギー密度 11,430 Wh/kg をそのまま EV の航続距離換算に使う」こと。この値は Li と O₂ のみで計算した活物質ベースで、実セルでは電解液・セパレータ・集電体・容器・冷却機構を含めて 1/10 以下になります。論文タイトルやプレスリリースの数字を見るときは「活物質ベース (vs Li only)」「セル全体」「パック全体」のどのレベルかを必ず確認してください。当シミュレーターの「実用係数 0.30」も保守的な見積もりです。

次に「Li 金属負極のデンドライト問題」を軽視すること。Li-Air は Li 金属箔を負極に使うため、充放電を繰り返すと Li が樹枝状 (デンドライト) に析出し、セパレータを突き破って内部短絡＝発火を起こします。Li-ion のグラファイト負極では起きない現象です。全固体化や人工 SEI、3D 集電体での対策が必須で、これを解決しないと Li-Air は本質的に安全性を担保できません。

最後に「空気電池は空気をそのまま吸えばいい」と思い込むこと。実際の Li-O₂ 電池は H₂O・CO₂・N₂ を全て嫌います。H₂O は Li 金属と発火反応、CO₂ は Li₂CO₃ を生成して可逆性を失わせ、N₂ は副反応で電解液を侵します。したがって商用機では O₂ 分離膜や PSA (圧力スイング吸着) で純酸素を供給する必要があり、システムとしての効率はさらに下がります。「空気電池」の名前通りに動くには、まだ材料・触媒・膜の総合開発が必要です。

使い方ガイド

  1. 正極面密度（mg/cm²）を入力します。Li-Air電池は一般的に50～200 mg/cm²の範囲で設計されます。
  2. 放電電圧（V）と充電電圧（V）を設定します。Li-O₂では2.5～3.0V放電、3.5～4.2V充電が標準です。
  3. 酸素アクセス比（0～1.0）を調整し、多孔質正極への酸素拡散効率を反映させます。0.8以上が実用的です。
  4. シミュレーターが理論エネルギー密度、実用値、往復効率、Li-ion比、サイクル劣化を自動計算します。

具体的な計算例

正極面密度120 mg/cm²、放電電圧2.8V、充電電圧3.8V、酸素アクセス比0.85の場合：理論エネルギー密度は約3,360 Wh/kg（Li金属負極12 g/Ah、O₂理論容量3,860 mAh/g基準）、実用値は酸素供給ロス20%を考慮し約2,680 Wh/kgとなります。往復効率（RTE）は放電電圧2.8Vと充電電圧3.8Vから（2.8/3.8）×100≈74%、100サイクル後の劣化は正極内部抵抗増加により約8～12%低下します。

実務での注意点