20世紀半ば以降、温室効果ガスの大気中濃度は上昇を続けており、現代の温暖化を招いています。その影響は、日々の気象データからも気候変動として検知できるほどです。今日、世界の大規模経済圏は依然として化石燃料に大きく依存しており、膨大な量のCO2を排出しています（図1）。
より環境に優しいエネルギー源の追求が続く中、リチウムイオン電池と水素燃料電池は、研究の活発化と一般の関心の高まりの中心にある2つの技術です。リチウムイオン電池と水素燃料電池の市場規模は、今後10年間でそれぞれ約1170億米ドル、2600億米ドルに達すると予測されています。
リチウムイオン電池への関心が高まっている主な要因は、電気自動車や家電製品などでの利用が爆発的に増加しているためです。一方、H2は、エネルギー源および貯蔵媒体として、輸送、建物へのエネルギー供給、可逆システムにおけるグリッドの長期エネルギー貯蔵などに活用されています。どちらの技術も、電力供給の脱炭素化において重要な役割を果たすと期待されています。
当社のCAS Content Collection™を用いた分析が示すように、過去10年間のリチウムイオン電池および水素燃料電池に関する研究の多くは、その利用における現代的な課題や障壁の解決に焦点を当ててきました。本稿ではその一部について論じます。これらの技術がエネルギー利用を変革し、より環境に優しい未来への移行を実現するためには、こうした研究が不可欠です。
リチウムイオン電池と水素燃料電池：どちらがより有望か？
一見すると、輸送分野においては水素燃料電池の方が有望であると主張したくなるかもしれません。これは、リチウムイオン電池と比較してエネルギー貯蔵密度が高く、軽量で、必要なスペースが小さいためです。また、水素燃料自動車はリチウムイオン電池車よりも短時間で燃料を補給できます。しかし、水素燃料電池にも欠点があります。H2からエネルギーをパッケージ化する過程で、貯蔵されたH2エネルギーの約60%が失われると推定されており、これはリチウムイオン電池と比較して約3倍のエネルギー損失に相当します。
しかし、両技術にはそれぞれ多数の用途があり、単純な比較は困難です。さらに、この視点では、現在進行中の研究や、技術がもたらすより広範なコストと利益が考慮されていません。CAS Content Collectionの検索機能を用いることで、表面的な議論を超えて、リチウムイオン電池と水素燃料電池が現在どのように利用されており、将来どのように活用され得るのかについて、より深い洞察を得ることができます。
リチウムイオン電池利用における課題
リチウムイオン電池の製造と廃棄は、常に政治的・環境的な懸念の対象となってきました。特に、リチウムやその他の主要資源の採掘に伴う深刻な汚染や、非再生可能エネルギーへの依存は、依然として極めて重要な問題です。
電気自動車の爆発的な増加（および電池サイズの大型化）と、スマートフォンなどの家電製品におけるリチウムイオン電池の急速な廃棄が相まって、エネルギーの浪費と非再生可能資源への依存が深刻化しています。実際、2040年には世界で販売される全自動車の58%が電気自動車になると予測されており、発生する廃棄物の総量は最大800万トンに達する可能性があります。そのため、リチウムイオン電池に関する最近の研究の多くは、汚染を低減し、鉱物資源への圧力を緩和することを目的としたリサイクル技術に焦点を当てています。
現在、世界でリサイクルされているリチウムイオン電池はわずか5%程度です。その背景には、電池材料の市場価格の変動、電池設計や材料の技術的統一の欠如（およびそれに伴うリサイクルコストの増大）、リサイクル施設内での効率化の遅れ、材料の安全性や環境保護といったリサイクルによる利益の収益化の難しさ、そして世界的なリサイクル規制の欠如といった制約が存在します。
水素燃料電池利用における課題
水素燃料電池のコストは、主に白金を使用することから依然として高い水準にありますが、最大の課題はH2の貯蔵（および輸送）の難しさにあります。実際、H2が消費者向けの燃料として成功するかどうかは、堅牢なH2貯蔵材料を見出し、洗練された安全な輸送システムを構築できるかどうかにかかっています。
主要な研究トレンド：リチウムイオン電池
前述の通り、リチウムイオン電池（LIB）に関連する汚染、廃棄物、鉱物資源の枯渇といった現代的な課題に対処できる可能性があることから、LIB研究においてリサイクルの重要性が高まっています。このトピックに関する年間論文数は年率32%で増加しており、科学論文全体の増加率（年率4%）を大きく上回っていることからも、関心の高まりがうかがえます（図2）。
注目すべき点として、これまであまり研究されてこなかったリチウムイオン電池の構成要素に対する研究（より包括的なリサイクル管理の視点が生まれつつあることを示唆）や、解体技術に関する研究（図3）が活発化しています。解体はリサイクル可能な材料を最大化できるため、環境面で優れています。また、正極材料を取り出して再調整し、新しい電池に再利用する「直接リサイクル」への関心も高まっており（図4）、他のリサイクル手法と比較してエネルギーコストや試薬コストを低減できる可能性があります。
主要な研究トレンド：水素燃料電池
There has been a steady increase in the volume of patents in the H2 fuel space since 1997, demonstrating the growing global interest in this technology (Figure 5). Encouragingly, H2 storage has remained the leading topic of interest over the last decade (Figures 6 and 7); the development of a H2 economy is highly dependent on the ability to store and transport the gas, since it is not feasible to establish a supply chain without this capability.
Hydrogen storage is followed by dehydrogenation (Figure 6), which has been established as the second leading area of innovation since 2012. With dehydrogenation methods, it is possible to extract H2 gas from liquid H2 carriers such as ammonia–chemicals for which the storage and transportation infrastructure already exists. Thus, this topic could represent a key solution in efforts to utilize H2 more widely. Ongoing research seeks to increase the efficiency of costly processes such as the Haber-Bosch process, required to extract H2 from its carrier (in the case of an ammonia source), or find more energy-efficient alternatives.
今後の展望
CAS Content Collectionを活用することで、リチウムイオン電池と水素燃料電池という、より環境に優しい未来に向けて世界のエネルギー利用を変革し得る2つの主要技術の可能性を追求する上での重要な研究トレンドを調査することができました。
Moreover, research appears to be focused on solving key contemporary issues associated with these technologies–in the case of lithium-ion batteries, recycling is undergoing a research boon, while H2 storage remains the principal topic of interest in hydrogen fuel cell work.
