リチウムに代われ：アルミニウムと硫黄電池がエネルギー革命を引き起こす

• 2024年1月、Nature Communicationsの研究で、85°Cで動作するアルミニウム-硫黄電池が報告されました。これは溶融クロロアルミネート電解質を用い、1Cで1,400サイクル後も85.4%の容量を保持しました。
• スタンフォード大学の2015年のアルミニウムイオン電池プロトタイプは、アルミニウムアノードとグラファイトカソードを使用し、超高速充電（約1分）と約2Vで7,500回以上のサイクルを実現しました。
• 2014年、Phinergyはアルミニウム空気電池を使用して約1,100マイル走行できる車を実演しました。
• アルミニウム空気電池は、リチウムイオン電池の約3倍の重量当たりエネルギー密度を提供します。
• 2023年1月、アルゴンヌ国立研究所は、シャトル効果をほぼ排除し700回以上のサイクルを可能にするレドックス活性中間層を持つLi–Sセルを実証しました。
• リチウム-硫黄電池は、実験室で約400–500 Wh/kgのエネルギー密度を示しており、NASAのSABERSプロジェクトは電動航空向けに約500 Wh/kgを目標としています。
• 2022年8月、MITのドナルド・サドウェイは、アルミニウムアノードと硫黄カソードを持つアルミニウム-硫黄電池を発表し、溶融塩電解質を用いて低コストかつ安全な運用を可能にしました。
• 2024年10月、Lytenは世界初のLi–S電池ギガファクトリーをネバダ州に建設する計画を発表し、2027年までに年間10GWhを目指しています。
• 2025年3月、Theionは結晶硫黄Li–Sセルのスケールアップのために1,500万ユーロを調達し、リチウムイオンの3倍のエネルギー密度、コストは3分の1、CO₂排出量も3分の1と主張し、コインセルから大型パウチセルへの移行を計画しています。
• 2023年、Phinergyとインディアン・オイル・コーポレーションは、インド初のアルミニウム空気電池車両を披露し、市場での展開の可能性を示しました。

一般的なアルミホイルと硫黄粉末から作られた電池が、今日のコストのほんの一部で家庭から電気自動車まであらゆるものに電力を供給することを想像してください。 アルミニウムおよび硫黄ベースの電池は、従来のリチウムイオン電池に代わる有望な選択肢として登場しており、より安価で安全、かつ持続可能なエネルギー貯蔵の魅力的な可能性を提供します。本レポートでは、これらのアルミニウムおよび硫黄電池とは何か、その仕組み、開発中のさまざまなタイプ（アルミニウムと硫黄の組み合わせを含む）、その利点と課題、ブレークスルーを牽引する主要プレーヤー、そして2024～2025年の最新イノベーションがクリーンエネルギーや電気自動車をどのように変革しうるかを掘り下げます。（すべての情報源は信頼性のために引用されています。）

アルミニウム電池と硫黄電池とは？

アルミニウム電池および硫黄電池は、現在のリチウムイオン電池の限界を克服することを目指した次世代の充電式電池技術の2つの大きな系統を表します。簡単に言えば、これらはリチウムベースの化学反応に頼る代わりに、電気化学反応にアルミニウムまたは硫黄（またはその両方）を使用します。どの電池にも共通して、正極（カソード）、負極（アノード）、そして充放電時にイオンを移動させる電解質という3つの主要な部分があります。主な違いは化学反応にあり、アルミニウム電池では金属アルミニウムがしばしばアノードとして機能し（設計によっては電荷を運ぶイオンも供給）、硫黄電池では元素硫黄が通常カソード材料として金属アノード（リチウムやナトリウムなど）からイオンを受け取ります。

なぜアルミニウムや硫黄を探求するのか？ どちらの元素も、リチウムイオン電池に使われるリチウムやコバルトと比べて非常に豊富で安価です。アルミニウムは地殻中で最も豊富な金属であり、非常に高い理論的容量（各Al原子が3つの電子を放出でき、1グラムあたり2.98Ahという非常に大きな電荷容量を持つ）を持っています^[1]。硫黄は最も安価な非金属元素の一つで（しばしば石油精製の副産物）、1原子あたり2つのリチウムイオンと結合できるため、非常に高いエネルギー貯蔵能力を実現できます^[2]、^[3]。理論的には、アルミニウムや硫黄を使った電池は、同じ重さでより多くのエネルギーを蓄え、現在のリチウムイオン電池よりもはるかに安価になる可能性があります。アルゴンヌ国立研究所の研究者は次のように説明しています。「硫黄は非常に豊富でコスト効率が高く、従来のイオン系電池よりも多くのエネルギーを蓄えることができます。」^[4]。同様に、アルミニウムも安価で広く入手可能であり、重量・体積の両面で高密度に電荷を蓄えます^[5]。

もう一つの大きな動機は、安全性と持続可能性です。リチウムイオン電池は可燃性の有機液体電解質を使用し、しばしば希少金属（コバルト、ニッケル、リチウムなど）を必要とするため、サプライチェーンや倫理的な問題を引き起こします。対照的に、多くのアルミニウムや硫黄電池の設計では、（イオン液体や溶融塩などの）不燃性電解質を使用でき、紛争鉱物を回避できます。例えば、最近のリチウム硫黄電池の設計では、「ニッケル、コバルト、マンガン、グラファイトのような鉱山産出鉱物を必要とせず、豊富に入手可能な地元の材料のみを使用している」と、バッテリースタートアップのLytenは述べています^[6]。MITのドナルド・サドウェイ教授（著名なバッテリーイノベーター）は、明確に「安価で地球上に豊富な」材料を探し求め、「リチウムイオンよりはるかに優れたもの」を発明しようとしており、最新のバッテリー化学ではアノードにアルミニウム、カソードに硫黄を選択しています^[7]。

要するに、アルミニウムおよび硫黄電池は、豊富（世界的な供給不足がない）、安価、そして本質的に高容量な元素を使うことで、より安価で安全、かつ倫理的なバッテリーを作ろうとする試みです。では、これらの電池が実際にどのように機能し、どのようなタイプが開発されているのかを見ていきましょう。

どのように動作するのか？（バッテリーの基本をやさしく解説）

アルミニウム系バッテリーは通常、アノード（負極）にアルミニウム金属を使用します。バッテリーが放電すると、アルミニウム金属は電子（電流を発生）とアルミニウムイオン（Al³⁺）を放出し、イオンは電解質を通ってカソード（正極）へ移動します。バッテリーの種類によって、これらのアルミニウムイオンはカソード材料にインターカレート（挿入）されるか、反応します。たとえば、アルミニウムイオン電池では、Al³⁺イオンが層状カソード（グラファイトや金属酸化物など）に充電時に出入りします^[8]。アルミニウム-硫黄電池では、アルミニウムイオンがカソードの硫黄と反応し、放電時にアルミニウム-硫黄化合物を生成し、充電時には再びアルミニウム金属に戻ります^[9]。また、アルミニウム空気電池では、アルミニウム金属が特殊なカソードで空気中の酸素と反応し、アルミニウム酸化物や水酸化物を生成します。この反応で電気が発生し、アルミニウムアノードが消費されるまで続きます。

硫黄系バッテリーは通常、硫黄カソードと金属アノード（最も一般的なのはリチウムですが、ナトリウムやマグネシウム、アルミニウムも使用可能）を組み合わせます。リチウム-硫黄（Li-S）を例にとると、放電時にはアノードのリチウム金属原子が電子を放出してリチウムイオン（Li⁺）となり、電解質を通って硫黄カソードへ移動します。そこで硫黄（S₈分子）はリチウムイオンを取り込み、リチウム化合物（Li₂S）に変化します。つまり、硫黄がリチウムイオンと電子を吸収して新しい化合物を作り、化学結合にエネルギーを蓄えます。充電時にはこのプロセスが逆転し、リチウムイオンが硫黄から離れてアノードに戻り、硫黄が再生されます。硫黄原子1つでリチウム原子2つと結合でき、S₈リングはさまざまなリチウムポリスルフィド分子に分解できるため、理論上Li-S電池はLiイオン電池の3～5倍のエネルギーを重量あたりで蓄えることができます。ナトリウム-硫黄（Na-S）電池も同様にナトリウムイオンで動作し、通常ナトリウムポリスルフィドやナトリウムスルフィドを生成します。

これらすべてのバッテリーでは、イオンが電解質を介して往復し、電子は外部回路を流れます。これがバッテリーの充放電の仕組みです。電解質は液体、ゲル、または固体で、イオンの移動は可能ですが、電子は回路を通る必要があるため（これがデバイスの電源となります）。重要なのは、これらの新しい化学系の中には、動作に特殊な電解質が必要なものがあることです。アルミニウムイオン電池は、イオン液体や溶融塩電解質に依存することが多いです。なぜなら、Al³⁺イオンは一般的な溶媒と強く相互作用するからです。実際、初期の充電式アルミニウム電池は、研究者が室温イオン液体（クロロアルミネート塩をベース）を発見し、アルミニウムイオンがグラファイトカソードに効率よく出入りできるようになって初めて実用化されました^[10]。同様に、リチウム-硫黄電池も、後述する問題（たとえば硫黄が電解質に漏れるなど）を防ぐために、改良された液体電解質や固体電解質を使用することが多いです。

簡単にまとめると、アルミニウム電池は、アルミニウム金属が1原子あたり複数の電子を放出することで（非常に高い電荷を持つ）、ホストカソードや酸素／硫黄と結合して発電します。一方、硫黄電池は、軽くて豊富な元素（硫黄）が金属イオンと電子をエネルギー豊富な化合物として取り込むことで発電します。どちらの設計も、現在の電池の単一リチウムイオン移動を超え、1回の充電あたりのパワーをより多く詰め込める可能性があります。次に、開発中のこれらの電池の具体的な種類を見ていきましょう。

アルミニウム系電池の種類

研究者たちは、アルミニウムをさまざまな方法で利用するいくつかのタイプの電池を探究しています。

• 充電式アルミニウムイオン電池（Al-Ion）： これらの電池は、アノードにアルミニウム金属を使用し、通常はグラファイト系カソードと特殊なイオン液体電解質を組み合わせています。有名な初期の例としては、2015年にスタンフォード大学の科学者たちが、アルミニウムアノードとグラファイトカソード、イオン液体を用いたアルミニウムイオン電池の試作機を発表しました。この電池は超高速充電（小型セルなら約1分で充電可能！）と非常に長いサイクル寿命（7,500回以上の充放電でも容量劣化なし）を示しました^[11]。また、スタンフォードのセルは非常に安全で、リチウム電池とは異なり、パウチセルに穴を開けても発火しませんでした^[12]。しかし、電圧が低い（約2ボルト、一般的なリチウムイオンセルの約半分）^[13]ため、実用的な電圧を得るにはより多くのセルを直列に接続する必要があります。主な魅力： Al-Ion電池は、高速充電、長寿命、そして安全性の向上（発火しやすい部品なし）、安価な材料（アルミニウムと炭素）を使用することが期待されています^[14]。現在も、より高い電圧と容量を実現するために、より優れたカソードや電解質の開発によるエネルギー密度向上の研究が進められています^[15]。世界中の複数のグループ（スタンフォードから中国の大学まで^[16]）がアルミニウムイオン技術を進展させています。例えば、研究者たちはアルミニウムイオンをより効果的に蓄えるため、さまざまなカソード材料（金属硫化物も含む^[17]）を調査しています^[18]。
アルミニウム空気電池: アルミニウム空気電池は、アルミニウム金属が空気中の酸素と反応して電気を発生させる一次電池（電気による充電はできないが、機械的に「再燃料補給」することは可能）です。これらのセルは、カソードが周囲の空気そのものであるため、非常に高いエネルギー密度を持ち、バッテリーが非常に軽量になります。実際、アルミニウム空気電池パックは、システムレベルでリチウムイオンの約3倍の重量当たりエネルギーを持つことができます^[19]。その代償として、アルミニウムアノードが酸化して水酸化アルミニウムや酸化アルミニウムになると、セルは「使い切り」となり、継続するには新しいアルミニウムが必要です。これにより、アルミニウム空気電池は燃料電池やレンジエクステンダーのような存在になります。つまり、充電する代わりに新しいアルミニウム板を交換し（使用済みのものはリサイクル）、再利用します。イスラエルのPhinergyのような企業は、何年も前からアルミニウム空気システムの開発を先導しています。インド石油公社と提携し、電気自動車や定置型バックアップユニットでアルミニウム空気電池の実証を行っています。2023年には、インドで小型電気自動車がアルミニウム空気セルで500km以上走行し、アルミニウムの「再燃料補給」が必要になるまで走行したことを実演しました^[20]。PhinergyのCEO、David Mayer氏は、アルミニウム空気技術は「安全で、引火性がない」、大規模な充電インフラが不要、そして（アルミニウムを交換することで）「数分で再充電可能」であり、何時間もかかることはないと述べています^[21]。欠点は、アルミニウム板を大量生産・リサイクルするためのサプライチェーン全体を構築する必要があることです。しかし、この技術はすでに特定の分野で商用化されています。例えば、Phinergyのアルミニウム空気ユニットは、イスラエルやヨーロッパで通信塔のバックアップ電源（ディーゼル発電機の代替）として導入されています^[22]。アルミニウム空気電池は、あなたのスマートフォンの充電式バッテリーを直接置き換えるものではありませんが、EVのレンジエクステンダーや長時間蓄電として利用でき、定期的に交換することで膨大なエネルギー備蓄を提供できます。アルミニウム-硫黄電池: 興味深いことに、一部の研究者はアルミニウムと硫黄を1つの電池に組み合わせています。アルミニウムをアノード、硫黄をカソードとして、溶融塩またはイオン液体電解質を使用します。このハイブリッドアプローチは、アルミニウムの高いアノード容量と硫黄の高いカソード容量という両方の利点を活かしつつ、非常に安価な材料で実現しようとしています。2022年8月、MITのDonald Sadoway率いるチームが、低コストと高性能で注目を集めた新しいアルミニウム-硫黄電池設計を発表しました。この電池は、電解質として溶融クロロアルミネート塩を使用し、適度な温度（約110℃、熱いコーヒーと同程度）で塩を液体のまま保ちます^[23]。加熱された電解質は巧妙な選択でした。可燃性がなく安価であるだけでなく、デンドライト（バッテリーを短絡させる厄介な金属スパイク）も防ぎました。Sadowayによれば、選ばれた塩は「これらの暴走デンドライトを本質的に退役させ、非常に高速な充電も可能にした」と述べています“essentially retired these runaway dendrites, while also allowing for very rapid charging”^[24]。彼のアルミニウム-硫黄プロトタイプセルは、短絡することなく1分未満で充電でき、数百サイクル動作し、セル1個あたりの推定コストは同等のリチウムイオンセルの約6分の1^[25]でした。これは大幅なコスト削減であり、外部アナリストによっても確認されています。これらの電池の材料コストはリチウムイオンより85%低くなる可能性があると、Science誌が報告しています^[26]。この電池のビジョンは、定置型蓄電（例：夜間用の太陽エネルギー貯蔵）や、EVの急速充電サポートなどへの利用です。Sadowayの設計は、Avantiというスタートアップによって商業化が進められており、近い将来セルのスケールアップやストレステストが行われる予定です^[27]。一方、他のグループもアルミニウム-硫黄のコンセプトをさらに推進しています。2024年1月、中国の研究者が、85℃（水の沸点直下で、より維持しやすい）で動作し、優れた寿命（1,400サイクル以上で容量損失わずか15%）、その温度での急速充電も可能な充電式Al-S電池を報告しました^[28]。動作温度を100℃未満に下げることで、単純な温水加熱で電池を維持でき、これにより熱管理が「大幅に簡素化」され、より幅広い用途への道が開かれます“greatly simplifies”^[29]。要点: アルミニウム-硫黄電池は、グリッド蓄電や特定の用途でゲームチェンジャーとなる可能性があります車両において、地球上に豊富に存在するアルミニウム（最も豊富な金属）と硫黄（最も安価な非金属）を使用した超低コストで耐火性のあるバッテリーを提供することによって^[30]。

硫黄系電池の種類

いくつかの電池技術は、異なるアノードと組み合わせた硫黄カソードを利用しています:

• リチウム-硫黄（Li-S）電池: リチウム-硫黄は、その非常に高いエネルギー可能性のため、「ポストリチウム」化学の中で最も研究されているものの一つです。Li-Sセルは理論的には、リチウムイオンセルの最大5倍の重量あたりエネルギーを蓄えることができます。これは硫黄が非常に軽量で、各硫黄原子が複数のリチウム原子と結合できるためです。実際、Li-S電池はすでに実験室で400～500 Wh/kg（リチウムイオンの約2倍）のエネルギー密度を示しています^[31]、^[32]。また、非常に安価で環境に優しいという点でも魅力的です。硫黄はほとんどコストがかからず豊富であり、Li-Sセルにはコバルトやニッケルが含まれていません。しかし、Li-Sのアキレス腱は寿命と安定性でした。従来のLi-S試作機は「ポリスルフィドシャトル」効果に悩まされていました。これは、硫黄の中間化合物（ポリスルフィド）がサイクル中に電解液に溶け出し、リチウムアノードに移動して自己放電、腐食、急速な容量低下を引き起こす現象です^[33]。また、著しい「呼吸」（体積変化）も起こります。硫黄は充放電時に大きく膨張・収縮し、セル構造を損傷する可能性があります^[34]。これらの問題により、初期のLi-S電池はわずか数十サイクルで寿命を迎えていました。良いニュースは、最近のブレークスルーがこれらの問題を解決しつつあることです。研究者たちは、ポリスルフィドを捕捉し寿命を延ばすためのナノ構造カーボンカソードや電解液添加剤を開発しました^[35]。2023年1月、アルゴンヌ国立研究所は、シャトル問題をほぼ解消した特別な多孔性「レドックス活性」中間層を持つLi-Sセルを実証し、高容量を維持しながら700回以上のサイクルに耐えることを可能にしました^[36]。「従来の[硫黄]電池はシャトル現象を抑制する代わりにエネルギーを犠牲にしていました。私たちの層は蓄電容量を追加し、かつシャトルを抑制します」とアルゴンヌの化学者Guiliang Xuは説明しています^[37]。これは、Li-S電池が高エネルギーかつ長寿命にできることを示唆しています。実際、現在企業は商業化を競っています。Lytenというカリフォルニアのスタートアップは、独自の3Dグラフェン材料で強化したリチウム-硫黄セルを開発し、2024～2025年にドローン、航空宇宙、防衛などのニッチ市場をターゲットにしています <a href=”httlyten.com。Lytenは、自社のLi-Sバッテリーが現在のリチウムイオンより40%軽量（リン酸鉄バッテリーより60%軽量）であり、ニッケルやコバルトなどの高価な材料を排除することで大規模生産時により安価になると主張しています^[38]。別の企業、Theion（ドイツ）は結晶性硫黄カソードに取り組んでおり、最近、Li-Sセルでリチウムイオンの3倍のエネルギー密度、かつコストは3分の1、さらに生産時の排出量も3分の1になる可能性があると報告しました^[39]。TheionのCEO、Ulrich Ehmes氏は、安定した硫黄と事前拡張設計を用いることで腐食問題を回避した同社のバッテリーが、開発が順調に進めば「今後10年以内に」電気自動車に搭載される可能性があると述べています^[40]。要するに、リチウム硫黄電池は研究室から市場への移行の瀬戸際にあり、超軽量・高エネルギーのバッテリーパックを、1kgでも軽量化が求められる用途（電動航空機、長距離EV、宇宙分野）に約束しています。
• ナトリウム-硫黄（Na-S）電池: ナトリウムと硫黄は一見奇妙な組み合わせに思えるかもしれません（ナトリウムは非常に反応性が高く、初期のNa-S電池は高温の300°Cで動作していました）が、この化学はグリッド貯蔵用として長い歴史があります。高温型Na-S電池は何十年も前からユーティリティ規模のエネルギー貯蔵に使われてきました（特に日本のNGKによって）—これらは溶融ナトリウムと硫黄を固体セラミック電解質で分離し、定置型貯蔵において高い効率と長寿命を実現しています。しかし、約300°Cでの維持が必要なため、広範な普及は制限されてきました。最近では、常温ナトリウム-硫黄電池に注目が集まっており、大規模貯蔵向けの低コストで安全な代替手段となる可能性があります。2022年末、シドニー大学のチームが新しい常温Na-S設計を用いて「リチウムイオンの4倍の容量を持つ低コスト電池」を発表しました^[41]。多孔質カーボン電極と単純な熱処理（熱分解）によってより反応性の高い硫黄を作り出すことで、常温で超高容量かつ超長寿命を実現し、Na-Sの従来の「鈍い」性能を克服しました^[42]。主任研究者のDr. Shenlong Zhaoは、このナトリウム-硫黄電池は「コストを劇的に削減しつつ、4倍の貯蔵容量を提供する可能性がある。これは再生可能エネルギー開発にとって重要なブレークスルーです…」と述べています^[43]。実際、ナトリウムと硫黄はリチウムよりもさらに豊富で安価なため、成功したNa-S電池はグリッドエネルギー貯蔵にとって大きな恩恵となり、風力・太陽光発電所向けの大容量バッテリーを低コストで実現できます。Na-SセルはコンパクトなEV用途ではリチウムイオンに及びません（ナトリウムは重く、現状ではセルも大型）が、クリーンエネルギーインフラの重要な一部となり、太陽が照っていない時や風が吹いていない時の安全かつ低コストな貯蔵を提供できる可能性があります^[44]。常温Na-S電池の商業化に向けた研究は、世界中（中国、オーストラリア、ヨーロッパ）で進行中です。
• その他の硫黄系電池: Li-SやNa-Sを超えて、研究者たちはマグネシウムやカルシウムなど他の金属と硫黄カソードを組み合わせたり、さらには（前述の通り）硫黄とアルミニウムを組み合わせることにも取り組んでいます。これらの多価金属–硫黄電池（例: Al³⁺やMg²⁺のように金属イオンが複数の電荷を持つ）は、アルミニウムや硫黄単体と同じ理由、すなわち豊富さと高容量のために魅力的ですが、化学的な課題はさらに難しく、ほとんどが初期研究段階にあります^[45]。例えば、マグネシウム–硫黄電池は電解液の適合性や反応速度の遅さに苦しんでいます。全固体硫黄電池は、もう一つの最先端のバリエーションです。固体電解質（多くは硫化物やポリマー）を用いることで、科学者たちはより安全（可燃性液体なし）で、ポリスルフィドシャトルを完全に抑制するLi-S電池の実現を目指しています^[46]、^[47]。NASAは、硫黄–セレンカソードと新規固体電解質を用いた全固体リチウム–硫黄電池（SABERSプロジェクト）を積極的に開発しており、電気航空に適した約500 Wh/kgのエネルギー密度を達成しています^[48]。軽く、豊富で、強力という硫黄の魅力は、多くの未来的な電池コンセプトの中心に据えられています。

アルミニウムおよび硫黄電池の種類について概観したので、これらの技術が現在主流のリチウムイオン電池とどのように比較され、どのような独自の利点を持つのかを見ていきましょう。

リチウムイオンに対する主な利点と優位性

アルミニウム系および硫黄系電池は、開発が順調に進めばコスト、持続可能性、性能の面で大きな利点をもたらすと期待されています。主な利点は以下の通りです。

• 🌎 豊富で低コストな材料: アルミニウムと硫黄は安価でほぼどこでも豊富にある。アルミニウムは地殻中で最も豊富な金属であり、硫黄は精製の副産物として一般的です。つまり、材料コストを大幅に下げることができるということです。Scienceの報告によると、アルミニウム-硫黄電池の原材料はリチウムイオン電池のものより85%安価になる可能性がある^[49]。Theion（硫黄電池スタートアップ）も同様に、自社セルのコストはリチウムイオンセルの3分の1になると主張しています^[50]。Sadowayの言葉を借りれば、これらの電池は「倫理的に調達され、安価で、［かつ］効果的」^[51]であり、問題の多い採掘に結びつく高価な金属を回避しています。豊富な資源を使うことで供給のボトルネックも減り、アルミニウムや硫黄電池が普及してもリチウムやコバルトの不足に直面することはありません。
• 🔥 安全性の向上（不燃性）: 次世代の多くのアルミニウム/硫黄電池は、はるかに安全になるよう設計されています。可燃性の有機電解液の代わりに、無機の溶融塩や固体電解質を使用し、発火しません^[52]。スタンフォード大学やMITが実証したアルミニウムイオンおよびアルミニウム硫黄電池は、「たとえドリルで穴を開けても発火しない」、または高温でも動作する^[53]、^[54]。同様に、固体またはゲル電解質と組み合わせた硫黄カソードは、従来のリチウムイオンよりも熱暴走に強いです。Phinergyのアルミニウム空気電池システムは本質的に不燃性で、「安全で不燃性」の運用が可能です^[55]。安全性の向上はユーザーを守るだけでなく、輸送や製造も簡素化します（バッテリーパックに高価な冷却や消火設備が不要）。
• ⚡ 高エネルギー密度＆軽量: どちらの化学系も、現在のバッテリーよりも重量あたりのエネルギー貯蔵量が高い可能性を持っています。例えばリチウム硫黄電池は、プロトタイプで約500 Wh/kgを達成しており^[56]、これは最良のリチウムイオン電池の約2倍で、はるかに軽量なバッテリーパックを実現します。Lyten社は、同じエネルギー量でリチウムイオンより最大40%軽量なLi-Sセルを報告しています^[57]。Theion社は、リチウムイオンの3倍のエネルギー密度を目指しています^[58]。電気自動車や航空機にとって、これは同じバッテリー重量で航続距離の延長や積載量の増加につながる可能性があります。アルミニウム空気電池はエネルギー密度が非常に高く（数年前にアルミニウム空気「タンク」1回で1,100マイルのEV走行記録を樹立）、ただし再充填が必要です。理論上のエネルギーはLi-Sより低いものの、アルミニウムイオン電池もパワー密度で優れており、スタンフォードのセルは1分でフル充電可能でした^[59]。これは、ガソリンタンクの給油並みに素早く充電できるバッテリーの可能性を示唆しています。要するに、これらの技術ははるかに多くのエネルギー（長時間使用向け）や、はるかに高速な放電/充電（またはその両方）をリチウムイオンよりも実現できる可能性があります。
• 🔋 長寿命サイクルの可能性: 適切に設計された場合、アルミニウムおよび硫黄電池はリチウムイオンと同等かそれ以上の寿命を持つ可能性があります。アルミニウム金属アノードは、リチウムのようなデンドライトを形成しません（特に適切な電解液下で）^[60]ので、非常に耐久性があります。スタンフォードのアルミニウムイオンセルは7,500回以上のサイクルに耐えました（リチウムイオンの10倍以上）^[61]。硫黄電池は従来サイクル寿命が短い傾向がありましたが、新しい設計（インター レイヤー、全固体など）により、最小限の劣化で数百～数千サイクルを達成しています^[62]、^[63]。定置型蓄電では、10年以上毎日確実にサイクルできるバッテリーが重要であり、これらの化学系の開発者は安定性に強く注力しています。
• ♻️ 環境的および倫理的な利点: これらの電池は入手しやすい材料を使用しているため、コバルト、ニッケル、リチウムなどの希少金属の採掘や精製に伴う環境破壊を回避できます。また、電池の埋め込まれたカーボンフットプリントも削減されます。Theion社は、同社の硫黄電池セルの生産時CO₂排出量がリチウムイオンセルの3分の1になると見積もっています^[64]。硫黄はしばしば廃棄物（何百万トンもが備蓄されている）であり、電池に利用することは本質的に産業廃棄物のリサイクルです。アルミニウムも非常にリサイクルしやすく、既存の世界的なリサイクルインフラを活用して使用済み電池からアルミニウムを容易に回収できます。倫理的にも、硫黄とアルミニウムの使用は、コバルト採掘にまつわる児童労働や人権問題を回避します。これらすべての要素により、次世代電池はライフサイクル全体でより持続可能かつ社会的責任を果たすものとなる可能性があります。
• 💡 急速充電と高出力: 一部のアルミニウム／硫黄設計は、超高速充電能力を示しています。ラボテストでの60秒充電についてはすでに述べました^[65]。さらに、ラボでのアルミニウム-硫黄セルは非常に高い充電速度（例：高温下で1C以上の充電、優れた保持率）で動作しています^[66]。アルミニウム空気電池は、アルミニウムを交換することで瞬時に「再充電」できます。これらの特徴は、EVやガジェットにおける最大の消費者不満の一つである長い充電時間を解消し、必要なときに高出力を提供することも可能です（アルミニウム電池搭載のパワーツールやEVが、電圧降下なしに強力なパワーを発揮するイメージです）。

これらの利点すべてが全てのバリアントに等しく当てはまるわけではないことに注意が必要です（例えば、アルミニウム空気電池は高いエネルギー密度を持ちますが電気的な再充電はできません。アルミニウムイオンは高速充電ですが電圧が低めです。リチウム-硫黄は超軽量ですが現時点ではサイクル寿命が中程度です）。しかし、アルミニウムおよび硫黄電池の全体的な可能性は、希少材料への依存とコストを劇的に下げつつ、主要な安全性・エネルギー・パワー分野で同等またはそれ以上の性能を発揮できるという点にあります。

課題と技術的ハードル

もしアルミニウムと硫黄の電池がそれほど優れているなら、なぜまだどこにでも普及していないのでしょうか？ 実際のところ、これらの技術は研究者や技術者がまだ克服に取り組んでいる重要な課題に直面しています:

• ポリスルフィドシャトルとカソード劣化（硫黄の問題）： リチウム-硫黄電池やその他の硫黄カソード電池では、悪名高いポリスルフィドシャトル問題が大きな障害となっています。バッテリーのサイクル中、硫黄は中間段階を経て電解液に溶け出し、アノード側に移動して自己放電、活性物質の損失、さらにはアノードとの有害な反応を引き起こします^[67]。これにより急速な容量低下が生じます。さらに、硫黄カソードはリチウム化硫化物への変換と逆変換の際に大きく膨張・収縮します（最大約80%の体積変化）^[68]。この「呼吸作用」により、カソードが時間とともに粉砕されたり、集電体から剥離したりすることがあります。保護インターレイヤーの追加^[69]、ナノ構造カーボンホストや固体電解質の使用などの新しい戦略によってこれらの問題は緩和されてきましたが、実際の条件下で硫黄電池が数百サイクル持続することを保証するのは依然として大きな課題です。
• デンドライトとメッキの問題（金属アノード）： アルミニウム金属アノードは、他の金属アノードと同様に、充電時にデンドライト（細く導電性のフィラメント）を形成し、セルの短絡リスクを高めます。実際、アルミニウム電池が長年失敗してきた主な理由は、アルミニウムのメッキ/ストリッピングを安定して繰り返すことができなかったためであり、しばしば「モス状」堆積物ができたり、表面酸化物の形成で不活性化したりしていました。イオン液体や溶融塩電解質の導入により、この問題は大きく「抑制」されました（あるチームは、溶融塩アルミニウム電池が急速充電テストで「デンドライト短絡によるセル損失が一度もなかった」と報告しています^[70]）。しかし、より一般的な電解質を使用した場合、デンドライトやアルミニウムの酸化皮膜との副反応が問題となる可能性があります。同様に、硫黄電池のアノードにリチウム金属を使用する場合（Li-S設計で一般的）、リチウムデンドライトや安全性の問題が発生しやすく、特に液体電解質を使用する場合は顕著です。研究者はしばしば、リチウムデンドライトを防ぐためにLi-S電池に保護膜や全固体設計を組み合わせています。
• 低動作電圧とエネルギー効率（アルミニウムイオン）： アルミニウムイオン電池、特に挿入型（例：グラファイトカソード）を使用するものは、通常リチウムイオン電池よりもセル電圧が低いです。スタンフォード大学の有名なアルミニウムイオンセルは約2.0ボルトを発生しました^[71]が、リチウムイオンセルは公称で約3.7Vです。これは部分的にはAl³⁺の挿入化学や電解液の制約によるものです。電圧が低いということは、希望するバッテリーパック電圧に到達するために直列でより多くのセルが必要（複雑さと若干のエネルギーロスが増加）となります。また、多価イオン（Al³⁺など）は固体中での動きが遅いという問題もあります。+3の電荷を持つイオンを動かすのは、Li⁺のような+1イオンよりも難しいため、高出力を得るには温度を上げるか特殊な電解液を使う必要があります^[72]。一部のアルミニウム電池は高温（60～100°C）でしかうまく動作しないため、消費者向け電子機器での利用には課題があります（誰も常に熱いバッテリーをスマホに入れたくはありません！）。良いニュースとしては、特定の塩を加えたり新しい混合物を使ったりするなど、電解液の革新によって低温でもアルミニウムイオンの伝導性が向上しています^[73]。
• 温度要件： 先述の通り、いくつかのアルミニウムおよびナトリウム系設計では溶融塩電解液を使用しており、温かく保つ必要があります。例えば、MITのアルミニウム-硫黄電池は約110°Cで最適に動作します^[74]し、改良型でも85°Cで動作します^[75]。これらは産業基準では高温ではありませんが、バッテリーパックには断熱や小型ヒーターが必要になることを意味します。これは据え置き型ストレージ（冷蔵庫サイズのバッテリーなら熱管理が可能）には問題ありませんが、携帯用途やEVでは、発熱が自立的でない限り課題となります（Sadowayのセルは実際にサイクル中に自己発熱して温度を維持します^[76]）。高温動作は堅牢な密封や安全対策も要求されます（ただし火災リスクがないのは利点です）。研究者たちは動作温度の低下や、AlおよびNa系システムの室温化学の開発にも取り組んでいます^[77]。
• 充電インフラと「再充填」（Al-Air）： アルミニウム空気電池（および同様の金属空気システム）に特有なのは、充電器に接続して充電できないという問題です。使い切ったアルミニウムアノードを交換またはリサイクルする必要があります。これには、アルミニウムプレートやカートリッジの交換、使用済み品の回収、アルミニウムのリサイクル（おそらく電力を使った製錬プロセスで、事実上アルミニウムを「再充電」する）というインフラ全体の構築が必要です。Indian OilとPhinergyはこのエコシステムに積極的に取り組んでいます^[78]が、これはガソリンスタンドや充電ステーションとは異なるパラダイムです。広範なサポートがなければ、アルミニウム空気電池はニッチなままかもしれません。さらに、アルミニウム空気電池の副産物（水酸化アルミニウム）も処理する必要がありますが、これは新しいアルミニウムや他の製品にリサイクルすることが可能です。
• 製造のスケールアップと統合： リチウムイオン技術は30年のアドバンテージがあり、大規模な製造規模、最適化されたサプライチェーン、熟練した労働力を持っています。新しいバッテリー化学は、ラボやパイロットスケールからギガファクトリースケールへの移行というハードルに直面します。アルミニウムや硫黄電池は、新しい製造プロセス（例えば湿気に敏感なイオン液体や固体電解質の取り扱い、Theionの積層電極のような新しいセル設計など）が必要になるかもしれません。欠陥なく低コストでスケールアップするのは簡単ではありません。また、統合の問題もあります。これらの新しいバッテリーは既存のデバイスや車両にそのまま組み込めるのか、それとも新しい設計が必要なのか？異なる電圧特性、形状、動作条件は、バッテリーマネジメントシステムから車のシャーシ設計まで、すべてを再設計する必要があるかもしれません。こうした移行コストや不確実性が普及を遅らせる要因となります。
• 現在の状況（技術の成熟度）： 2024年と2025年には大きなブレークスルーが見られました（次で紹介します）が、多くのアルミニウムおよび硫黄バッテリー技術はまだプロトタイプまたは初期商用段階にあります。リチウムイオンのような大規模な普及はまだ実現していません。例えば、リチウム硫黄電池は寿命の短さが許容または対策できるドローンや衛星などの限定的な市場にようやく登場し始めたところです。アルミニウム硫黄電池やアルミニウムイオン電池はデモンストレーターやスケールアップ段階にあり、電気自動車や電力網で大規模に本格稼働しているものはまだありません。つまり、実際の使用で予期せぬ問題が発生するリスクが依然としてあります（リチウムイオンが初期に熱暴走事故を起こしたように）。これらの技術が既存技術と同じくらい信頼できるようになるには、時間と投資、そしておそらく数回の改良が必要です。懐疑的な意見としては、リチウムイオンも毎年進化しており、リン酸鉄リチウム（LFP）やリチウム金属固体電池など新しい化学も登場しているため、アルミニウムや硫黄電池は単に動作するだけでなく、進化し続ける既存技術と競争しなければなりません。

誰が主導しているのか？開発の主要プレイヤーたち

このエキサイティングな分野には、大学の研究室、スタートアップ、そして大手企業が最先端を切り拓いています。ここでは注目すべきプレイヤーとその取り組みを紹介します:

• マサチューセッツ工科大学（MIT）＆Avanti: MITは革新的な電池研究の中心地です。MITのドナルド・サドウェイ教授のグループがアルミニウム-硫黄電池のコンセプトを主導しました。2022年にNatureで画期的な成果を発表した後、サドウェイはこの技術を商業化するためにAvantiを共同設立しました^[80]。Avantiの目標は、定置型蓄電などに向けてアルミニウム-硫黄電池の生産を拡大することです。サドウェイは、異なる化学系（カルシウムやアンチモンなど）を用いた液体金属電池を商業化する企業Ambriの共同設立者としても有名です。Ambriはグリッド規模の蓄電をターゲットとしており、2024年にはシステムの導入が報告されています^[81]。AmbriとAvantiの両社によって、サドウェイのイノベーションは大規模なユーティリティ用電池から、建物やEV充電ステーション向けの小規模電池までカバーできる可能性があります^[82]。MITの影響力はそれだけにとどまらず、研究者たちはリチウム-硫黄電池のプロジェクトにも取り組んでおり、同研究所はしばしば国立研究所や企業と最先端の電池技術で提携しています。
• スタンフォード大学 & SLAC: スタンフォード大学はアルミニウムイオン電池の分野で早くから注目を集めてきました（2015年の急速充電Alイオン試作機 ^[83]）。この研究はホンジエ・ダイ教授が主導し、単純なグラファイトカソードが充電式アルミニウム電池を可能にすることを示しました。スタンフォード大学は現在も電池研究を続けており、例えばSLAC（スタンフォード線形加速器研究所）は金属硫化物のような新しいアルミニウム電池用カソードの研究^[84]や、サイクル寿命向上のための界面化学の調査を行っています。スタンフォードの2015年の発見はまだ商業製品にはなっていませんが、その実現可能性を示し、その後の多くの研究で引用されています。また、スタンフォードの「オープンな研究が産業への導入につながる」という精神も強調されました（スタンフォードの電池研究出身者の中には、スタートアップに参加したり、ベイエリアの電池スタートアップシーンで自ら起業した人もいます）。
• グラフェン・マニュファクチャリング・グループ（GMG）＆クイーンズランド大学: オーストラリアでは、GMG（クイーンズランド大学と共同で）がグラフェン・アルミニウムイオン電池の開発を進めています。彼らはコインセル試作機で非常に高速な充電と長いサイクル寿命という優れた性能を報告しており、アルミニウムイオン構成でカソード材料としてグラフェン（炭素の一形態）を使用しています^[85]。GMGはこの技術を消費者向け電子機器やEVに適したパウチセルへとスケールアップすることを目指しており、2022年末時点で開発プログラムとパイロット生産ラインが進行中でした^[86]。彼らのアプローチは、ナノ材料（グラフェン）とアルミニウムイオンのような新しい化学系の相乗効果によって、より良い成果を得られることを示しています。
• Phinergyとインディアン・オイル（IOC）：Phinergyは、10年以上にわたりアルミニウム空気電池の先駆者であるイスラエルのスタートアップ企業です。2014年にはアルミニウム空気電池を使ってデモカーを1,100マイル走行させたことで有名で、その後はバックアップ電源やEVの航続距離延長のための実用製品に注力しています。Phinergyはインディアン・オイル・コーポレーションと合弁会社（IOC Phinergy）を設立し、アルミニウム空気電池技術をインド市場にもたらしています。これは、石油代替を模索し自国のアルミ産業を活用したいインドにとって非常に大きな可能性を秘めています。2023年初頭までに、IOC Phinergyはインド初のアルミニウム空気電池車両を披露し、プレート製造やリサイクルのインフラ整備を進めていました^[87]。インド政府も関心を示しており、アルミニウム空気電池は輸入リチウムへの依存を減らす可能性があります。Phinergyの技術はすでに商業利用されており、通信塔のバックアップ電源（ディーゼル発電機の代わりに排出ゼロのアルミニウム空気システムを使用）^[88]や、マヒンドラなどの自動車メーカーと連携した車両統合（例：アルミニウム空気電池で航続距離を延長した電動リキシャやバスのテスト車両）^[89]にも取り組んでいます。Phinergyの進展は、アルミニウム系電池を研究室から実用現場に持ち出した最初の企業の一つであるため、非常に重要です。
• Lyten: Lytenは、シリコンバレーのスタートアップ企業（カリフォルニア州サンノゼに拠点）で、数年間ステルスモードで独自の3Dグラフェン素材を用いたリチウム-硫黄電池の開発を進めてきました。最近、大きなニュースとともに表舞台に登場しました。2024年10月、Lytenは世界初のリチウム-硫黄電池ギガファクトリーをネバダ州に建設する計画を発表し、10億ドル超の投資を行うとしています^[90][91]。この施設は2027年までに年間10GWhのLi-S電池を生産する予定です^[92]。この大胆な動きは、同社の技術が量産に近づいている自信の表れです。Lytenの初期ターゲット市場は乗用EVではなく、2024～2025年にはマイクロモビリティ、航空宇宙、ドローン、防衛分野^[93]です。これらの分野ではLi-Sの高いエネルギー密度が決定的な優位性を持ち、ややサイクル寿命が短くても許容される場合があります。同社は電池の軽量性と紛争鉱物不使用を強調しており、実際にセルにはリチウム金属アノードと硫黄-カーボン複合カソードを使用し、ニッケルやコバルトなどを回避しています^[94]。LytenのCEO、Dan Cook氏は「リチウム-硫黄はバッテリー技術の飛躍であり、高エネルギー密度・軽量で、豊富に入手可能な地元材料で作られるバッテリーです」^[95]と述べています。同社は2023年から社内でパイロットバッテリーセルの製造も行い、生産プロセスの検証と改良を進めています^[96]。Lytenのギガファクトリーが成功すれば、ゲームチェンジャーとなる可能性があり、次世代の電動航空機や長距離電動セミトラックなど、重量が重要な用途向けに初の商業用Li-S電池が大規模生産されるかもしれません。
• Theion: Theionはドイツ・ベルリンに拠点を置くスタートアップで、ひと味違うリチウム-硫黄電池に取り組んでいます――結晶性硫黄と特殊な電極を用いて安定性を向上させています。2025年3月、Theionはバッテリーセルの量産拡大のためにシリーズA資金調達で1,500万ユーロを調達しました^[97]。Theionは、自社セルがリチウムイオンの3倍のエネルギー密度を実現し、コストを3分の1に削減できると主張しています（前述の通り）^[98]。カソードを事前に膨張させて硫黄の膨張に対応し、硫黄を電解液と反応しにくい結晶状態に保つことで、主要な課題を解決したと報じられています^[99]。CEOのUlrich Ehmesは、同社の技術がEV、「空飛ぶタクシー」、エネルギー貯蔵などに利用され、2020年代後半には自動車にも搭載される可能性があると述べています^[100]。Theionのアプローチは、希少な材料に依存しない点でも注目を集めており、同社は「呼吸」しにくく、従来のLi-Sのように腐食しないバッテリーであるとアピールしています。今回の資金調達は、より大型のパウチセルの開発やコインセル試作段階からの脱却に役立てられます^[101]。ドイツの硫黄電池への関心は、欧州の自国産で持続可能なバッテリー技術推進とも一致しています。
• アルゴンヌ国立研究所＆米国エネルギー省（DOE）： 公的研究分野では、アルゴンヌ（およびオークリッジ、パシフィックノースウェストなど他のDOE研究所）も硫黄電池の研究を積極的に行っています。アルゴンヌによるLi-Sセルのインター層設計の成果については前述しました^[102]。また、NASAと提携して全固体硫黄電池の航空用途への応用も探っています。DOEの車両技術局は、Li-S、Mg-S、さらにはLi-AirやAl-Airなど次世代化学系の戦略的重要性を認識し、複数のプロジェクトに資金提供しています。国立研究所は大学（例：アルゴンヌはイリノイ大学を含むチームと硫黄インター層で協力）と連携し、スタートアップが活用できる知見を共有しています。例えば、ポリスルフィド挙動の理解や高度な解析（アルゴンヌの先端光子源を用いたバッテリーのX線分析^[103]など）の多くは、これらの研究所から生まれています。
• その他の注目すべき事例: モナシュ大学（オーストラリア）は、2020年にスマートフォンを5日間駆動できるとされるLi-S電池を発表し、独自のバインダーと電極設計によって優れた安定性を示したことで話題となりました^[104]。モナシュ大学はその後、電動航空用途を目指して急速充電可能なLi-S電池の開発にも取り組んでいます^[105]。イギリスでは、現在は解散したOxis EnergyがLi-S分野の先駆者であり、2021年に閉鎖されるまで400Wh/kgに迫るLi-Sセルを開発し、航空機メーカーと協力していました。その知的財産は他の組織に取得され、新たなプロジェクトに活かされている可能性があります。中国の学術界や産業界も非常に活発で、中国科学院や武漢理工大学（SadowayのAl-S論文の共著者^[106]）、CATLのような企業が硫黄やアルミニウムの化学系を探求していますが、詳細は非公開の場合もあります。2020年のテスラ・バッテリーデーでも硫黄への関心が示唆され（イーロン・マスクが「リチウムと硫黄」の研究について冗談めかして言及、長期プロジェクトの可能性）、最後に、NASAやボーイングも航空機向けLi-Sを検討しています。NASAのSABERSプロジェクトでは、500Wh/kgに到達した多層型硫黄電池が開発されており、これにより電動航空機や先進的なドローンが実現する可能性があります^[107]。

アルミニウム電池や硫黄電池の分野では、ベンチャー企業から伝統ある国立研究所まで、グローバルなエコシステムがイノベーションを推進していることは明らかです。今後数年（2025～2030年）で、これらの取り組みの一部が実際の製品やパイロット導入という形で成果を上げる可能性が高いでしょう。

ブレークスルーと最近のイノベーション（2024～2025年）

2024年から2025年にかけては、アルミニウム電池や硫黄電池の開発において特にエキサイティングな時期となっており、いくつか注目すべきブレークスルーがありました:

• 2024年1月 – 85°Cで動作するアルミニウム-硫黄電池（Nature Communications）： 研究者たちは、アルミニウム–硫黄電池の新しいタイプを85°Cで動作させることに成功し、四元系溶融塩電解質を使用したと発表しました。これはNature Communications ^[108]で公開されました。この電池は急速充電能力と驚くべき長寿命を示し、1Cの充電レートで1,400サイクル後も容量の85.4%を維持しました ^[109]。重要なのは、85°Cという温度が、従来の溶融塩電池が必要としていた110～180°Cより大幅に低いという点です^[110]nature.com^[111]。また、窒素ドープ多孔質カーボンカソードを使用し、硫黄反応の迅速な進行を助けました^[112]。この成果は、実用的で低コストなグリッド用電池への道を示す重要なものです。簡単な加熱（著者らが指摘するように、熱源としてお湯でも可能^[113]）で動作し、劣化せずに急速充電が可能となります。これはMITのAl-S電池コンセプトをより使いやすく、モバイル化するための一歩です。
• 2024年10月 – Lyten、Li-Sギガファクトリーを発表: Lytenがネバダ州でリチウム-硫黄電池ギガファクトリーを発表したことは、2024年後半の業界の大きな話題となりました^[114]。これは、世界初のLi-Sセル専用ギガファクトリーとなる予定で、2027年までに年間10GWhの生産を目指しています^[115]。さらに注目すべきは、Lytenが自社のLi-S電池を2024年および2025年にすでに一部市場へ投入していると述べた点です。具体的には、マイクロモビリティ（電動自転車、スクーター）、航空宇宙（おそらく衛星や高高度ドローン）、ドローン、防衛用途の顧客が同社の電池を使用しています^[116]。これは、Lytenがラボでの試作段階からパイロット生産、そして実際の現場利用へと進んでいることを示唆しています。大規模工場の建設に踏み切ったことは、技術のスケールアップと需要の顕在化に自信を持っていることを意味します。また、これはバッテリー業界や投資家に対して、リチウム-硫黄電池が実用化間近であるという大きなシグナルでもあります。この結果、少なくともハイエンドや特殊用途で「Li-Sバッテリー搭載」を謳う製品が間もなく登場するかもしれません。
• 2025年3月 – Theionが資金調達、エネルギー3倍を主張: 2025年3月、ロイターはTheionが硫黄電池のスケールアップのために1,500万ユーロを調達したと報じました。「より多くのエネルギーを蓄えながら、従来のリチウムイオン電池よりもはるかに安価」 ^[117] Theionは一部の技術戦略を公表し、自社のセルはリチウムイオンの3倍のエネルギー密度を持ち、コストは3分の1、CO₂排出量も3分の1であると述べました（前述の通り）^[118]。主な懸念点については、結晶性硫黄を使用することで急速な腐食を回避し、カソード構造を事前に膨張させることで膨張問題に対処していると説明しました^[119]。この資金調達により、コインセルからより大型のパウチセル（EVや航空機向け）への移行が可能になります^[120]。この進展は、1社だけでなく複数のスタートアップ（Lyten、Theion、その他）がマイルストーンを達成し、投資を集めていることを思い出させます。これにより、少なくとも1社が商業的に成功する可能性が高まっています。これはリチウムイオン初期の時代を少し彷彿とさせます。当時は複数の企業や国が競争していましたが、今回は米国と欧州の企業が同時に硫黄電池を推進しています。
• 2023年～2024年 – 硫黄サイクル寿命パズルの解決: 2023年を通じて、そして2024年にかけて、複数の研究グループが硫黄電池のサイクル寿命延長に関する進展を発表しました。注目すべきは、アルゴンヌ国立研究所主導の研究（2022年8月にNature Communicationsで発表）で、レドックス活性インター レイヤーがLi-S電池の安定性を劇的に向上させることを示しました^[121]。2023年初頭までに、このアプローチにより、数百サイクルにわたって高容量を維持するセルが得られると報告されました^[122]。これにより、Li-Sは日常使用に向けて一歩近づきました。2024年中頃には、別のチームが、切断されても機能を失わない特殊な硫化鉄カソードを用いた折りたたみ可能で柔軟なLi-S電池を報告しました^[123]。これは、Li-Sを用いたウェアラブルやフレキシブルエレクトロニクス向けの新しい解決策です。これらの漸進的なイノベーションは重要です。なぜなら、ポリスルフィド管理や機械的ストレスなどの細かな問題を一つずつ解決しているからです。各改善が、Li-Sセルを商用エレクトロニクスや車両の厳しい要求に近づけています。
• 2024年 – アルミニウム電池の研究開発が急増: アルミニウム分野でも、2024年後半に興味深い研究が見られました。科学者たちは、コバルト硫化物などの新しいアルミニウムイオン電池用カソード材料を探求し、より高い容量と充電保存メカニズムの理解を目指しました^[124]。また、「多価」電池（Al、Mg、Znを含む）に関する研究も増えており、これらはしばしば課題やブレークスルーを共有しています。例えば、あるシステムで改良された電解液が、別のシステムにも応用できる場合があります^[125]。インドのような国々も、Phinergyのアルミニウム空気電池だけでなく、インドの条件に適した充電式アルミニウム電池を開発するための学術研究にも投資しており（政府が国家エネルギー貯蔵ミッションの下でプロジェクトに資金を提供）、こうした動きが見られます。これらはまだ世界的な注目を集めていませんが、アルミニウム電池をめぐる世界的な勢いに貢献しています。
• 政策と市場のシグナル: ブレークスルーの話は技術だけにとどまりません。2024～2025年には、これらの新しい電池を支える強い市場シグナルが見られます。米国政府のインフレ抑制法（IRA）やその他の政策は、国内の電池サプライチェーンを奨励しており、硫黄（米国は石油精製から多くの硫黄を生産）やアルミニウムのような地元調達可能な材料で生産できる化学系に恩恵をもたらします。ネバダ州のLytenのギガファクトリーや、米国国防総省が兵士や衛星向けの軽量Li-S電池に関心を示しているのは、これらのインセンティブの成果です^[126]。ヨーロッパでは、持続可能性への推進がコバルトフリー・ニッケルフリー電池を非常に魅力的なものにしており、TheionなどのプロジェクトへのEU資金提供につながっています。リチウムイオン製造が支配的な中国でも、「次世代」電池への国家支援プログラムがあり（例えば、CATLは2023/24年頃に定置型ストレージ向けのナトリウムイオン＋硫黄ハイブリッド電池の発売に取り組んでいると報じられています）。これらすべての動向は、アルミニウム電池と硫黄電池の時代が到来していることを示しています――世界は解決策を求めており、技術がそのニーズに追いつきつつあります。

要するに、過去2年間でアルミニウム電池と硫黄電池は、ニッチな研究室の好奇心からエネルギー貯蔵の将来を担う有力候補へと変貌しました。ある科学者が的確に述べたように、「私たちはこの技術が日常生活で見られる日へ一歩近づいた」 ^[127] その一歩一歩の進歩こそが今まさに起きていることであり、次のステップはこれらのイノベーションのさらなる商業化とスケールアップです。

クリーンエネルギーと電気自動車への潜在的な応用と影響

アルミニウム電池と硫黄電池の台頭は、幅広い分野に影響を与える可能性があります。ここでは、最も有望な応用例とその意味合いを紹介します:

• 🏠 再生可能エネルギー貯蔵（グリッドおよび家庭用）： おそらく、最も近い将来に大きな影響を与えるのは、クリーンエネルギーのための定置型エネルギー貯蔵です。再生可能電力（太陽光、風力）の大きな課題の一つは間欠性であり、太陽や風は24時間365日利用できるわけではないため、発電していない時のために大量かつ経済的なバッテリーでエネルギーを貯蔵する必要があります。リチウムイオン電池はグリッド貯蔵に使われ始めていますが、依然として比較的高価で、輸入材料に依存しています。アルミニウム-硫黄電池やナトリウム-硫黄電池は、非常に安価な部品を使うことで、1キロワット時あたりの貯蔵コストを劇的に削減できる可能性があります。MITのSadowayは、特に家庭や近隣規模をターゲットにAl-S電池を開発しました――「一軒の家や中小規模のビジネスを動かすのに必要なサイズ」（数十kWh規模）^[128]。このような電池があれば、屋上ソーラーを設置した家庭が昼間のエネルギーを安価に夜間用に貯蔵したり、小規模ビジネスがディーゼル発電機なしでバックアップ電源を持つことができます。より大規模には、電力会社がアルミニウム系やナトリウム-硫黄電池の巨大なバンクを導入し、再生可能エネルギー発電の変動を平準化できます。シドニー大学のチームは、低コストのNa-S電池が、手頃な貯蔵手段を提供することで「脱炭素経済への移行コストを大幅に削減できる」と指摘しています^[129]。揚水発電の地理的条件がない場所では、これらの電気化学的ソリューションが鍵となります。さらに、これらの新しい電池は不燃性（地域の安全に重要）で、豊富な材料を使うため、多くの地域で地元生産・設置が可能であり、エネルギー安全保障を高めます。全体として、広く普及したアルミニウム/硫黄定置型電池は、再生可能エネルギーの導入率向上、カット（貯蔵不足による太陽光・風力の無駄）の削減、クリーンで即応可能な電力によるグリッドの安定化に貢献します。
• 🚗 電気自動車（EV）: より軽量で高エネルギーのバッテリーは、EVや電動航空機にとってまさに究極の目標です。リチウム硫黄電池は特にここで魅力的です。Li-Sパックは、EVの走行距離を劇的に延ばすことができ、重量を増やすことなく、あるいは逆に、同じ走行距離をはるかに軽いバッテリーで実現し、効率を向上させます。例えば、現在のEVが300マイルの航続距離に600kgのリチウムイオンバッテリーを必要とする場合、エネルギー密度が2倍のLi-Sバッテリーなら約300kgでそれを達成でき、車両重量を大幅に削減できます。これにより加速やハンドリングが向上し、1マイルあたりの消費エネルギーも減少します。また、電動トラックやバスの積載重量を増やすことで、より実用的にすることも可能です。Oxis Energy（閉鎖前）やSion Powerなどの企業は、航空宇宙や自動車のパートナーとともに、長距離航空機やEV向けのLi-S試作パックに取り組んできました。実際、Sion Powerの初期のLi-Sセルは、高高度疑似衛星（無人の太陽光飛行機）に電力を供給し、2010年代に飛行時間の記録を打ち立てました。最近では、NASAとAirbusが、実用的な電動旅客機に必要な500Wh/kgを達成する唯一の方法の一つとしてLi-Sに注目しています。^[130] － SABERSプロジェクトの成功は、硫黄電池を使った地域電動航空機の登場を予感させます。電動空飛ぶタクシーやドローンも同様に恩恵を受けるでしょう。Theionは明確に空飛ぶ乗り物をターゲットとして挙げています。^[131]。Li-S以外にも、アルミニウム空気電池はEVで役割を果たします。航続距離延長モジュールとして、長距離移動時に作動させることができます。例えば、日常の通勤には小型のリチウムイオンバッテリー、1,000kmの長距離ドライブ時だけアルミニウム空気「補助バッテリー」を補充（アルミ交換）して使うEVを想像してみてください。こうしたハイブリッドバッテリー構成は、Indian Oil/Phinergyなどのプロジェクトで検討されています。主流のEVがすぐに新しい化学系に切り替わることはありませんが、安全性、寿命、急速充電が証明されれば、2020年代後半には高級モデルや特殊用途車両に次世代バッテリーが搭載される可能性があります。もしそうなれば、EVの性能は新たな高みに到達し（500マイル超の航続距離、超高速充電、軽量化）、重要鉱物への依存も減り、資源ボトルネックなしでEVの大規模普及が可能になるでしょう。
• 📱 携帯型電子機器とウェアラブル: 将来のスマートフォンやノートパソコンも硫黄電池やアルミニウム電池の恩恵を受ける可能性がありますが、これらの用途では長いサイクル寿命と低い自己放電が求められます（この点で現在はリチウムイオンが優れています）。リチウム-硫黄電池を使えば、スマートフォンが数日間充電なしで動作する可能性があります ― モナシュ大学の、Li-S電池で5日間持続するスマートフォンのコンセプトを思い出してください^[132]。スマートフォンの場合、重量の軽減はそれほど重要ではありませんが、エネルギー密度は重要です。ここでの課題は、消費者向けガジェットが数百回の充放電サイクルと数年のカレンダー寿命を期待していることです。Li-Sはそれを満たすためにさらなる改良が必要です。それでも、ニッチなガジェットやウェアラブルが、フォームファクター上の利点があれば採用する可能性があります。特にスタンフォード大学のような柔軟な設計のアルミニウム電池は、折りたたみ式や巻き取り式のガジェットを実現できるかもしれません。例えば、柔軟なアルミニウムイオン電池は、スマートウォッチのバンドやスマート衣料に組み込むことができます。また、Al-ionは非常に安全に作ることができる（火災のリスクがない）ため、かさばる保護ケースなしでデバイスに組み込むことができ、より創造的な工業デザインも可能になるかもしれません。これらはまだ推測の域を出ませんが、製造技術が進歩すれば、消費者向け電子機器は重要な市場となる可能性があります（実際、1990年代のリチウムイオンの初期成長もこの分野でした）。
• ⚡ 急速充電インフラ: あまり目立たないが重要な用途の一つは、これらの新しい電池を使ってEVの急速充電を促進し、電力網を安定化させることです。サドウェイ教授が指摘したように、多くのEVが同時に充電しようとすると（例えば高速道路の休憩所で複数の車が充電する場合など）、電力需要が電力網の供給能力を超えて急増します^[133]。送電線を増強する代わりに、充電ステーションにバッファ用電池を設置する方が賢明です ― バッテリーは電力網からゆっくり充電し、必要なときに車に急速に電力を供給します。このようなバッファ用電池にはコストと安全性が最重要で、重量はあまり問題になりません。そのため、アルミニウム-硫黄やナトリウム-硫黄が理想的な候補となります。これらは現地に設置され、安価にエネルギーを蓄え、発火せず、素早く放電できます。サドウェイは特に、Al-Sシステムが「高価な新しい送電線の設置を不要にできる」と述べています^[134]。本質的に、これらの電池は電力網のショックアブソーバーとして機能し、余剰エネルギーを吸収し、必要に応じて放出します。これはEV充電の急増や再生可能エネルギーの出力変動のバランス調整にも役立ちます。
• 🏭 産業用および商業用バックアップ: 通信タワーがバックアップ電源としてアルミニウム空気電池を使用しているのと同様に、他の産業や商業施設も信頼性を確保し、ディーゼル発電機への依存を減らすためにアルミニウムや硫黄電池を利用できるでしょう。例えばデータセンターは、安全で長い待機寿命を持ち、大規模でもコスト効率の良い電池を求めています。現在UPS（無停電電源装置）に使われているリチウムイオンや鉛蓄電池の代わりに、ナトリウム硫黄電池の部屋が設置される未来も想像できます。遠隔地やオフグリッドの現場では、頻繁な交換が不要な安価な電池は非常に価値があります（メンテナンス回数の削減）。アルミニウム硫黄電池は、1kWhあたりのコストが非常に低いと予測されており、農村部や島嶼部のマイクログリッドに太陽光や風力と組み合わせて、手頃な価格で24時間365日の電力供給を可能にするかもしれません。
• 🚀 航空宇宙・防衛分野: これらの電池の高性能は、当然ながら航空宇宙や防衛用途にも魅力的です。前述の通り、衛星や高高度ドローン（疑似衛星）では、軽量で低温下でも良好な性能を発揮するため、Li-S（リチウム硫黄電池）が成功裏に使用されています（宇宙用電池はしばしば低温で稼働します）。米軍は兵士の負担を減らすため（多くのリチウムイオン電池パックを持ち運ぶ負担を軽減するため）に、より軽い電池に関心を持っています。硫黄電池なら、その負担を劇的に軽減できるかもしれません。さらに、硫黄電池は酸素を放出する化合物を含まない（熱暴走時にO₂を放出するリチウムイオンとは対照的に）ため、潜水艦や宇宙船のような密閉環境でも安全性が高い可能性があります。アルミニウム空気電池は、アルミニウムでの補給が可能な長時間稼働の無人潜水艦の水中電源としても利用できるでしょう。防衛分野は最先端技術の初期導入者となることが多く、その投資がアルミニウムや硫黄電池技術の開発を加速させる可能性があります。実際、Lyten社が2024～25年に宇宙、ドローン、防衛市場で最初の取り組みを行っていることは、防衛契約が消費者向け普及前に技術を実証する助けとなっていることを示唆しています（^[135]）。

これらすべての用途において、最大の影響はクリーンエネルギー転換をより速く、より広く実現できることです。電池コストを大幅に削減し、リチウムイオンのサプライチェーンの制約から解放されることで、アルミニウムや硫黄電池はより多くの人々に電気自動車を手頃な価格で提供できるようになり（交通の脱炭素化に不可欠）、再生可能エネルギーの信頼性と普及を高め（電力の脱炭素化に不可欠）、さらには電動飛行のような新たな可能性も生み出します。また、使用時の環境上の利点もあります。例えば、ディーゼル発電機のバックアップをアルミニウム空気電池やナトリウム硫黄電池に置き換えることで、地域の大気汚染やCO₂排出を削減できます。もしこの技術がその約束を果たせば、世界はより安価な電気自動車、より強靭なクリーングリッド、希少金属の採掘削減を実現できるかもしれません。これは経済と環境の両方にとって好循環となります。

経済的・環境的影響

経済的な観点から見ると、アルミニウムおよび硫黄電池は、エネルギー貯蔵コストを押し下げ、サプライチェーンを多様化することで、最良の形で破壊的な存在となり得ます。バッテリーはEVや再生可能エネルギーシステムのコストの大部分を占めているため、バッテリーが安くなれば製品も安くなり、普及も加速します。アナリストたちは、アルミニウムや硫黄のような材料は、リチウム、ニッケル、コバルトに比べてごくわずかなコストであると指摘しています。例えば、ある推定では、アルミニウム-硫黄電池の材料コストは、同等のリチウムイオン電池のわずか約15%であるとされています^[136]。もしこのコスト削減が製造にも反映されれば、バッテリー価格（1kWhあたり）は現在のリチウムイオンの学習曲線を大きく下回る可能性があります。安価な蓄電池は、（より多くの太陽光発電所やコミュニティ蓄電プロジェクトなどの）新しいビジネスモデルを可能にし、消費者のエネルギーコストを削減することで（例えば、毎日午後に自宅のバッテリーを太陽光で充電し、ピーク時の電力料金を一切支払わない生活を想像してください）、経済成長を促進する可能性があります。

また、地政学的な側面もあります。現在のリチウムイオン電池の生産は非常に集中しており（中国がセル製造を支配し、DRCのような国が主要鉱物を供給しています）。しかし、アルミニウムは世界中で精錬されており（リサイクルも地域資源となります）、硫黄も至る所に存在します。リチウム資源を持たない多くの国々も、（IOC Phinergyの例で見たように）強力なアルミニウム産業を持っています。したがって、アルミニウムベースのバッテリーは、より多くの国がリチウムやコバルトの輸入に頼らずに国内バッテリー産業を構築することを可能にするかもしれません。この多様化は、世界的なサプライチェーンリスクを低減し、電動モビリティや再生可能エネルギーへの移行を、供給不足や政治的不安定に対してより強靭なものにする可能性があります。ネバダ州では、計画中のLyten工場がその一例で、米国産の硫黄を使用し、バッテリーを国内で組み立てることで^[137]、バッテリー供給の国内回帰や地元雇用創出（この1工場だけでフル稼働時に1,000人の雇用を見込む^[138]）といった政策に合致しています。

また、環境面でも、これらのバッテリーには複数の利点があります。

• 低炭素フットプリント: バッテリーの製造はエネルギー集約的ですが、硫黄やアルミニウム電池は、より特殊な加工を必要とせずに作ることができます。コバルトやニッケルの精製は特に炭素負荷が大きいですが、それらを排除することで、メーカーはバッテリー1kWhあたりのCO₂排出量を削減できます。Theion社は、同社の硫黄電池がリチウムイオン電池に比べてカーボンフットプリントを3分の2削減したと主張しています^[139]。また、硫黄は廃棄物として調達できるため（追加の炭素コストはほぼゼロ）、アルミニウムのリサイクルは新規生産の約5%のエネルギーしか必要としません。したがって、バッテリーにリサイクルアルミニウムを使用すれば、その含有エネルギーを大幅に削減できます。
• リサイクルと廃棄時： アルミニウムはすでに最もリサイクルされている素材の一つです（アルミ缶を思い浮かべてください）。スクラップアルミを溶かして再利用するインフラが整っています。もしアルミニウム金属電池が一般的になれば、使用済みアルミニウムアノードが日常的に回収され、高効率でリサイクルされることが想像できます――バッテリー金属の循環型経済です。バッテリーの文脈での硫黄は、セルから直接リサイクルするのがやや難しいかもしれません（特に化合物として結合している場合）、しかし安価で無毒なので、たとえ埋立地に行き着いても、古いバッテリーの鉛やカドミウムほど大きな環境リスクにはなりません。研究者たちは、バッテリーから硫黄を回収したり、廃棄された硫黄を有用な化学物質に変換したりする方法を見つけるかもしれません（硫黄は肥料にも使われます）。これらのバッテリーには重金属が含まれていないため、有害性の低い電子廃棄物となり、不適切に廃棄された場合でも理想的にはリサイクル施設での取り扱いが容易になります。
• 採掘影響の低減： リチウム、コバルト、ニッケルの採掘は、リチウム塩水抽出での水使用、ニッケル鉱山周辺の生息地破壊や汚染、一部コバルト鉱山での児童労働問題など、重大な環境的・社会的影響があります。これらの材料の必要性を減らす、または排除することで、アルミニウム・硫黄電池はこうした圧力を緩和できるかもしれません。アルミニウムも無影響ではありません（ボーキサイト採掘やアルミ精錬には赤泥廃棄物や高い電力消費などの問題があります）が、多くの国でこれらのプロセスは適切に規制されており、技術も進歩しています（例：排出削減のための不活性アノードによるアルミ精錬）。そして再度、アルミニウムのリサイクルは新たな採掘の必要性を大幅に減らします。硫黄の利用は主に既存の副産物の再利用であり、むしろ問題（大量の硫黄在庫）を解決する可能性もあります。
• 安全性と健康： リチウムイオン電池では火災が懸念されてきました。燃焼時に有毒ガスを発生し、消火が困難な火災を引き起こすことがあります（EV火災事故などが示す通り）。不燃性バッテリーは火災事故を減らし、社会にとって安全性の向上となります。また、バッテリーの輸送やスクラップヤードでの取り扱いも安全になります。例えば、リチウムイオンパックを搭載した廃車EVは損傷時に火災リスクがありますが、アルミニウム・硫黄パックのEVなら解体時もはるかに安全かもしれません。消費者向け機器でも同様で、爆発や発火するデバイス（有名なスマホバッテリー火災を思い出してください）が減ることは、公衆衛生やバッテリー技術への信頼にとって有益です。
• クリーンなバックアップ電源： 現在ディーゼル発電機に頼っている場所（島嶼部、避難所、通信塔など）で、これをアルミニウム空気電池やナトリウム硫黄電池に置き換えれば、ディーゼル燃焼が不要となり、温室効果ガス排出も粒子状汚染も騒音も発生しません。これは直接的な環境・生活の質の向上です。例えば、インドの通信塔がアルミニウム空気電池で稼働すれば、現地での排出はゼロですが、ディーゼル発電機は大気汚染や炭素排出に寄与します。

総じて、アルミニウムと硫黄のバッテリーは、エネルギー貯蔵の民主化――つまり、どこでもバッテリーを導入できるほど手頃で環境負荷の少ないものにし、クリーンエネルギーの未来を実現する可能性を秘めています。万能薬にはなりません（今後も複数のバッテリー技術が併用されるでしょう）が、市場参入によってコストを下げ、すべてのバッテリーメーカーに持続可能性の向上を促すことができます。

もちろん、これらのバッテリーの経済的成功が保証されているわけではありません。安価に大量生産でき、かつ信頼性を持って動作することを証明しなければなりません。しかし、最近の投資やプロトタイプの成功は非常に励みになります。もし成功すれば、その恩恵は低コストの電気自動車やより優れたガジェットだけでなく、私たちのバッテリー使用による環境負荷の大幅な削減や、世界的な脱炭素化の取り組みの後押しにもつながります。

結論：ありふれた元素が切り拓く明るい未来

かつてはダークホースと見なされていたアルミニウムおよび硫黄バッテリーが、商業化の現実に向けて急速に進んでいます。これらのバッテリーは、「シンプルで豊富な材料で複雑なエネルギー問題を解決する」という魅力的なアイデアの好例です。ここ数年の化学や材料科学の進歩によって、そのアイデアは実現に大きく近づきました。現在では、数分で急速充電でき、数千回のサイクルに耐えるアルミニウム-硫黄電池のプロトタイプ^[140]、10年前には夢だったエネルギー密度に到達したリチウム-硫黄電池^[141]、さらには実際の現場でクリーンな電力を供給し始めているアルミニウム-空気システム^[142]まで登場しています。

希少金属や高価な輸入品への依存から脱却し、AlやSのような「格安の」元素で作られたバッテリーへと移行することは、バッテリー産業を、かつてシリコンが電子産業を変えたように再構築する可能性があります。つまり、大規模な普及とコスト削減を可能にするのです。Sadoway氏が冗談めかして言ったように、これらの新しいバッテリーは「バッテリーに求めるすべてのものを備えている。安価な電極、優れた安全性、高速充電、柔軟性、長寿命」^[143]。まだ解決すべき課題は残っていますが、進むべき道筋は明らかです。

今後数年で、パイロット導入のニュースが聞かれることでしょう（例えば、カリフォルニアの太陽光発電所でMITのアルミニウム-硫黄電池が使われたり、LytenのLi-Sパックを搭載したドローンが耐久記録を更新したり）。製造が拡大すればコストはさらに下がり、サイクル寿命や動作温度といった残された技術的課題も、世界中で進行中の集中的な研究によって解決される可能性が高いです。

一般の人々にとって、その影響は微妙ながらも重要な形で感じられるかもしれません。より安価で長距離を走るEV、週末を通して充電が持続するスマートフォン、嵐で停電してもバッテリーで明かりが灯る地域社会――しかも、これらすべてがアルミホイルや園芸用肥料（硫黄）のようなありふれた材料で実現されていると知ることができるのです。世界のバッテリー需要は増加の一途をたどっており、アルミニウムと硫黄の技術は、その需要を持続可能な形で満たすことを保証してくれます。

これらのバッテリーの進歩に関わるある科学者は楽観的にこう述べています。「これらの結果は…[バッテリー]開発に大きな影響を与えることを示しています。私たちはこの技術が日常生活で見られる日へ、また一歩近づきました。」 ^[144] 実際、私たちの生活が地球上で最も目立たない元素の2つであるアルミニウムと硫黄によって動かされる未来は、今やはっきりと地平線上に見えています。エネルギー貯蔵の革命は進行中であり、それは一般的な化学、革新的な工学、そしてよりクリーンで安価なエネルギーの未来への切実な推進力という基礎の上に築かれています。

出典: 本レポートの情報および引用は、査読付き研究、大学のプレスリリース、業界ニュース、ロイターの報道など、最近の信頼できる情報源から得られています。主な参考文献には、アルミニウム-硫黄電池に関するMIT News ^[145]、リチウム-硫黄におけるアルゴンヌ国立研究所のブレークスルー ^[146]、TheionおよびLytenの開発に関するロイターの報道 ^[147]、^[148]、および業界リーダーへのインタビュー（例：アルミニウム-空気の利点についてのPhinergy社CEO ^[149]）などがあります。本文中のこれらおよび他の引用は、主張の裏付けとなる詳細な証拠を提供しています。

References

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