より環境に優しいエネルギー源を求める継続的な取り組みにおいて、リチウムイオン電池と水素燃料電池は、研究から多大な恩恵が得られ、公共の関心が非常に高まっている2つの技術です。リチウムイオン電池と水素燃料電池の業界規模は、今後10年以内にそれぞれ約1170億ドルと2600億ドルに達すると予想されています。

リチウムイオン電池への関心の主な推進力 は、電気自動車や家電製品など、さまざまな用途として爆発的に成長していることです。一方、 H2（水素）は、エネルギー源および貯蔵媒体として、 輸送や建物へのエネルギー供給のほか、可逆システムでのグリッドでの長期的なエネルギーの貯蔵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ことが期待されています。

当社のCAS Content Collection™を使用した分析が示すように、過去10年間のリチウムイオン電池と水素燃料電池に関する研究の多くは、現代の課題とその使用における障壁の解決に焦点を当てています。その一部について、ここで説明します。これらの技術がエネルギーの利用方法を変革し、より環境に優しい未来へと移行するためには、この研究が不可欠です。

リチウムイオン電池と水素燃料電池：より有望な選択肢はどちらなのか

表面的に見れば、両方の技術の主要な用途である輸送分野において、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。水素燃料電池はリチウムイオン電池に比べてエネルギー貯蔵密度が高く、重量が軽く、必要なスペースが小さいためです。また、水素を動力源とする自動車も、リチウムイオン電池で駆動する車よりも迅速に燃料補給できます。しかし、水素燃料電池には欠点もあります。貯蔵されたH2エネルギーの約60％がH2からエネルギーをパッケージ化するプロセスで失われます。これは、リチウムイオン電池の使用と比較して約3倍のエネルギー損失に相当します。

とは言え、どちらにも無数の用途が存在するため、直接的に比較することは複雑です。それにこの視点では、両技術に対する現在進行中の研究や、より広範囲な次元でのコストやメリットといった部分が無視されています。CASコンテンツのコレクションを検索することにより、表面的な部分だけではなく掘り下げた調査が可能になり、リチウムイオン電池と水素燃料電池の現在の用途や用法と、将来的な用途や用法をより深く理解することができるようになります。

リチウムイオン電池の使用における課題

リチウムイオン電池の製造と廃棄は、常に政治的および環境的懸念の対象です。リチウムに関連する多大な汚染と、リチウムやその他の重要な再生不可能なエネルギー資源の懸念も関わっています。

スマートフォンやその他家電製品用のリチウムイオン電池の廃棄量の急速な増加と、それと並行した電気自動車の爆発的な増加（と電池サイズの増大）により、エネルギーの浪費と再生不可能なエネルギー資源への依存がますます顕著になっています。実際、2040年には、世界中で販売される全自動車の58％が電気自動車になると予想されており、発生する廃棄物の総量は800万トンに及ぶ可能性があります。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、汚染を減らし、鉱物の埋蔵量減少を鈍化させることを目的として、そのリサイクル方法に焦点を合わせています。

電池材料の金銭的価値の変動や、電池設計と材料そしてリサイクル工場内での技術的合致の欠如（そしてそれに関連したリサイクルに要する人件費）など、およびリサイクル施設、多くのリサイクルのメリット（原材料の安定確保、安全性、環境上のメリットなど）の収益性の欠如、世界中の多くの地域におけるリサイクル規制の欠如などの制限により、現時点では世界中でリチウムイオン電池のリサイクルは全体の約5%のみに留まっています。

水素燃料電池の使用における課題

水素燃料電池のコストは、主にプラチナの使用により高額になりますが、最大の課題は、H₂の貯蔵（および輸送）の難しさです。実際、消費者向けの燃料としてのH₂の成功は、強度の高いH2貯蔵材料の発見と、洗練された安全な輸送システムの開発に直接依存しています。

主な研究トレンド：リチウムイオン電池

上述のように、リチウムイオン電池の研究で特に大きく脚光を浴びているのはリサイクルです。これは、リチウムイオン電池に関連した汚染や廃棄物および限られた鉱物の埋蔵量といった現在の問題に対処するためです。このテーマに関する年間刊行物の増加率（32％）は、科学刊行物全体の増加率（年間4％）をはるかに上回っており、関心が拡大していることを示唆しています（図2）。

喜ばしいことに、これまで研究が少なかった部分に対する研究への取り組みも多く見られます（図3）。つまり、リチウムイオン電池の各コンポーネントに関する研究（これはより包括的なリサイクル管理視点の現れを示唆している可能性があります）と、分解に関する研究です。これはリサイクル可能な材料の量を最大化させるという点で、環境的に望ましいと言えます。陰極素材を取り除いて再生し、新しい電池に再利用するダイレクトリサイクルに対する関心も高まっており（図4）、他のリサイクル方法よりエネルギーコストと試薬コストが下がる可能性があります。

主な研究トレンド：水素燃料電池

1997年以降、H2燃料分野の特許数は着実に増加しており、この技術に対する世界的な関心の高まりを示しています（図 5）。心強いことに、H2の貯蔵は、過去10年間ずっと注目されている主要トピックであり続けています（図 6と図7）。H2に基づいた経済の発展は、気体の貯蔵と輸送の能力に大きく依存しています。これが達成できなければ、サプライチェーンを確立できないためです。

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水素の貯蔵に続いて脱水素化（図6）は、2012年以降、イノベーションの2番目の主要な領域として確立されています。脱水素法を使用すると、貯蔵および輸送インフラがすでに存在するアンモニアなどの液体H2キャリアからH2ガスを抽出することができます。したがって、このトピックは、H2をより広く利用するための重要な解決策となる可能性があります。進行中の研究では、コストのかかるプロセス、例えばキャリア（アンモニア源の場合）からH2を抽出するために必要なハーバー・ボッシュ法の効率を高めるか、よりエネルギー効率の高い代替方法を見つけることを目指しています。

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今後の展望

CASコンテンツのコレクションにより、リチウムイオン電池と水素燃料電池の潜在能力を引き出すための進行中の研究における、主要な研究動向を探索することができました。これら2つの主要な技術は、より環境に優しい未来の実現に向け、世界のエネルギー利用の変革に役立つ可能性があります。

さらに、研究ではこれらの技術に関する、現状の重要な課題の解決に焦点を合わせているようです。リチウムイオン電池の場合はリサイクル分野で研究の恩恵を受けており、水素燃料電池の研究においては依然としてH2の貯蔵が主要な関心を集めています。