ハロゲン化物電池の基礎知識｜全固体電池／フッ化物イオン電池(FIB)の仕組みと特徴
カーボンニュートラルの実現に向けた世界的な潮流の中で、蓄電技術は社会インフラの要となっています。
現在、電気自動車（EV）やスマートフォンなどの主力であるリチウムイオン電池（LIB）は、その高いエネルギー密度から広く普及していますが、一方で発火のリスクやエネルギー密度の限界、資源調達における地政学的リスクといった課題が顕在化しています。
こうした背景から「ポスト・リチウムイオン電池」の開発が加速しています。その中でも、安全性の向上や高い理論エネルギー密度などの観点から注目されているのが、ハロゲン化物を利用した次世代電池です。
本記事では、ハロゲン化物電池の仕組み・特徴などの基礎知識と技術動向をご紹介します。
１．ハロゲン化物電池とは
「ハロゲン化物電池」という言葉は、必ずしも一つの確立した電池系を指す名称ではありません。
この記事では、ハロゲン元素を含む材料を利用する次世代電池として、主に次の二つの技術を取り上げます。（図1）
【図1 ハロゲン化物電池】
（1）ハロゲン化物固体電解質を用いた全固体電池
リチウムイオンの伝導体として、従来の硫化物系や酸化物系に代わり、ハロゲン化物（Li3YCl6など）を用います。この電池は、リチウムイオンを電荷担体とする全固体電池の一種であり、固体電解質にハロゲン化物を用いるものです。
［※関連記事：全固体電池と固体電解質材料の基本がわかる！種類・特徴・技術課題を解説］
（2）フッ化物イオン電池（FIB）
リチウムイオン（陽イオン）ではなく、フッ化物イオン（陰イオン）を電荷担体（キャリア）として移動させるものです。
こちらは「ポスト・リチウムイオン電池」の有力候補の一つとされる、全く新しい仕組みの電池で、フッ素を利用した新型電池です。
ハロゲン化物系全固体電池は、リチウムイオンを動かすための「道」にハロゲン化物を使うのに対し、フッ化物イオン電池は、フッ化物イオンそのものを主役として動かします。フッ化物イオン電池は、リチウムイオン電池を大きく上回る理論エネルギー密度を実現できる可能性があり、次世代蓄電池の有力候補の一つとして期待されています。
現状では、ハロゲン化物固体電解質を用いた全固体電池は、実用化を見据えた研究開発が進められています。
一方、フッ化物イオン電池は、電解質や電極材料、サイクル寿命などに多くの課題が残っており、より将来的な技術として研究が進められています。
２．ハロゲン化物電池の仕組みと構造
ハロゲン化物を利用する電池には、ハロゲン化物固体電解質を用いる全固体電池と、フッ化物イオンを電荷担体とするFIBがあり、電解質や電荷担体などに違いがあります。
表1に、従来のリチウムイオン電池（LIB）、一般的な硫化物系全固体電池、およびハロゲン化物電池の比較を示します。
【表1 各種電池の構造比較】
| 項目 | リチウムイオン電池 （LIB） |
一般的な全固体電池 （硫化物系） |
ハロゲン化物電池 （固体型/FIB） |
| 電解質 | 有機電解液（可燃性） | 硫化物系固体電解質 | ハロゲン化物系固体電解質 または フッ化物イオンを伝導する電解質 |
| 電荷担体 | リチウムイオン（Li＋） | リチウムイオン（Li＋） | リチウムイオン（Li＋） または フッ化物イオン（F－） |
| セパレータ | 多孔質膜 | 不要 （固体電解質が兼ねる） |
固体電解質を用いる場合は原則不要 |
| 主な特徴 | 成熟した技術、高いエネルギー密度 | 高いイオン伝導性、安全性の向上が期待される | 高い酸化安定性(ハロゲン化物固体電解質)や、高い理論エネルギー密度(FIB)が期待される |
図2に従来のリチウムイオン電池（LIB）に対する、一般的な全固体電池（硫化物系）およびハロゲン化物電池のバッテリー構造の比較を示します。
【図2 基本構成比較】
従来のリチウムイオン電池との共通点・相違点
- 共通点：
いずれも正極、負極、電解質の3要素で構成され、イオンの移動によって充放電を行います。 - 相違点：
LIBが液体の有機電解液を用いるのに対し、硫化物系全固体電池とハロゲン化物系全固体電池は固体電解質を用います。一方、FIBには固体電解質を用いる方式と液体電解質を用いる方式があります。さらに、硫化物系固体電解質は空気中の水分と反応して硫化水素を発生させる懸念があるのに対し、ハロゲン化物固体電解質は硫黄を含まないため、硫化水素を発生しないという利点があります。ただし、ハロゲン化物固体電解質にも水分に敏感な材料が多く、耐湿性の向上は課題の一つです。
３．ハロゲン化物電池に適用される材料
ハロゲン化物電池の性能を左右するのは、その名の通りハロゲン材料の選定です。
- 固体電解質材料：
近年、リチウムイオン伝導体として塩化物材料（Li3YCl6やLi3InCl6など）が注目されています。これらは高いイオン伝導率を持ちながら、高電圧のカソード（正極）に対しても安定であるという優れた特性を持ちます。 - 正極材料（フッ化物イオン電池FIB用）：
フッ化物イオン電池では、金属フッ化物（フッ化銅、フッ化鉄など）が正極材料の候補として用いられます。これらは多電子反応（一つの金属原子が複数の電子を授受すること）が可能であるため、高い容量が期待できます。 - 負極材料（フッ化物イオン電池FIB用）：
フッ化物イオン電池では、フッ化ランタン、フッ化セリウムなどが負極材料の候補として研究されています。
2026年現在、ハロゲン化物を利用した電池開発では、大きく二つの方向性が並行して研究されています。
一つは、リチウムイオンを利用しながら、固体電解質にハロゲン化物を採用して全固体電池の高性能化を目指すアプローチです。
もう一つは、リチウムイオンに代えてフッ化物イオンを電荷担体とし、より高いエネルギー密度を目指すフッ化物イオン電池です。
いずれも材料開発に加え、電極と電解質の界面制御や製造プロセス、コストなどが実用化に向けた重要な課題となっています。
４．ハロゲン化物電池の特徴と課題
他の電池系と比較することで、ハロゲン化物電池の立ち位置が明確になります。
ハロゲン化物電池と他の電池（リチウムイオン電池、硫化物系全固体電池、亜鉛負極電池）との特徴の比較を表2に示します。
【表2 ハロゲン化物電池と他の電池との特徴比較】
| 項目 | LIB | 全固体（硫化物）電池 | ハロゲン化物電池 | 亜鉛負極電池 (水系亜鉛イオン電池) |
| エネルギー 密度 |
高い (実用セルで250Wh/kg前後) |
より高いエネルギー密度が期待される | 高いエネルギー密度が期待される (FIBでは特に高い理論値) |
比較的低い |
| 安全性 | 課題あり(発火) | 高い | 高い安全性が期待される (電解質・材料系による) |
高い |
| コスト | 安価 | 高い | 高い(現時点) | 比較的低い |
| 寿命 | 良好 | 開発中 | 開発中 (界面安定性や体積変化などが課題) |
開発中 (デンドライト形成や副反応などが課題) |
（1）ハロゲン化物電池のメリット
ハロゲン化物電池のメリットについて図3に示します。
【図3 ハロゲン化物電池のメリット】
- 高エネルギー密度：
フッ化物イオン電池は、材料の組み合わせによっては、現在のLIBを大きく上回る理論エネルギー密度を実現できる可能性があります。これが実用レベルで実現すれば、EVの航続距離の延長やドローンの長時間飛行などへの貢献が期待されます。 - 安全性：
ハロゲン化物系全固体電池では、可燃性の有機電解液を使用しないため、液漏れや発火リスクの低減が期待できます。 - 高電圧動作：
ハロゲン化物固体電解質は酸化安定性に優れるため、高電圧な正極材料との組み合わせに適しています。
（2）ハロゲン化物電池のデメリット（課題）
一方、ハロゲン化物電池には、図4のような課題があります。
【図4 ハロゲン化物電池の課題】
- 作動温度：
従来の全固体フッ化物イオン電池では、フッ化物イオンの十分な伝導性を確保するため、高温での動作を必要とするものが多くありました。近年では、液体電解質を用いたFIBに加え、薄膜型の全固体FIBでも室温動作が報告されています。ただし、実用的な容量やサイクル寿命を備えた電池を室温で安定動作させることは、依然として重要な課題です。 - 界面・体積変化：
ハロゲン化物系全固体電池では電極と固体電解質の界面安定性が重要な課題となります。またFIBでは、充放電に伴う電極材料の大きな体積変化によって、界面の接触が失われやすいという課題があります。 - サイクル寿命：
特にFIBでは、充放電に伴う電極材料の構造変化などにより、十分なサイクル寿命を確保することが課題となっています。
５．ハロゲン化物電池の実用化に向けた研究開発動向
日本でも、フッ化物イオン電池やハロゲン化物固体電解質に関する研究開発が活発に進められています。
- 京都大学・トヨタ自動車など：
フッ化物イオン電池の電極材料や充放電反応などについて共同研究を進めており、現行LIBを上回る高エネルギー密度を目指した材料開発に取り組んでいます。 - ホンダ (本田技術研究所)：
米カリフォルニア工科大学（Caltech）やNASAジェット推進研究所などとフッ化物イオン電池の研究を進めてきました。さらに2026年には、京都大学などとの共同研究により、薄膜型の全固体フッ化物イオン電池を室温で可逆的に動作させることに成功しています。 - パナソニック：
高いイオン伝導性を示すハロゲン化物からなる独自の固体電解質を開発し、全固体電池の高性能化に向けた研究開発を進めています。
《海外の動向》
欧州では、ドイツのカールスルーエ工科大学（KIT）などがフッ化物イオン電池の基礎研究を進めています。
また北米では、CaltechやNASAジェット推進研究所（JPL）などにおいて、フッ化物イオン電池の電解質や電極材料に関する研究が行われてきました。
中国においても、ハロゲン化物固体電解質をはじめとする次世代電池材料の研究開発が進められています。
現在、世界各国で実用化に向けて、材料の最適化や界面制御、製造プロセスの確立など、さまざまな研究開発が進められています。
６．まとめ
ハロゲン化物を利用した次世代電池は、蓄電池の安全性向上や高エネルギー密度化につながる可能性を持つ技術です。ハロゲン化物固体電解質を用いた全固体電池では安全性や高電圧化、フッ化物イオン電池では高い理論エネルギー密度など、それぞれ異なる強みを持っています。
一方、実用化に向けてはさまざまな技術的課題が残されています。ハロゲン化物系全固体電池では耐湿性や電極との界面制御、FIBでは室温での安定動作やサイクル寿命、電極の体積変化などが重要な課題です。
今後、こうした課題を克服することで、次世代蓄電池の有力な選択肢へと成長していくことが期待されます。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 H・N）
《引用文献・参考文献》
- 1）RISING3（WEBサイト）,「電気自動車用革新型蓄電池開発」
https://www.rising.saci.kyoto-u.ac.jp/ - 2）京都大学（WEBサイト）,「超高容量かつ低コストの鉄系全固体フッ化物イオン二次電池正極材料の開発」
https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2025-06-20-1 - 3）京都大学（WEBサイト）,「フッ化物イオン電池向けイオン液体電解液の開発」
https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2025-04-18-3 - 4）Sakurai, K. et al., “Room-Temperature Operation of Thin-Film All-Solid-State Fluoride Shuttle Batteries Using CeF3 Anodes and Ag Cathodes,” ACS Applied Energy Materials, 9(11), 6709–6717 (2026).
https://doi.org/10.1021/acsaem.6c00227 - 5）Caltech, “Focusing on the Negative is Good When It Comes to Batteries”
https://www.caltech.edu/about/news/focusing-negative-good-when-it-comes-batteries-84588 - 6）パナソニック ホールディングス（WEBサイト）,「環境・エネルギー」
https://tech.panasonic.com/jp/td/technology/environment-energy.html - 7）KIT, “Fluoride Ion Batteries”
https://www.int.kit.edu/8865.php - 8）Ren, T. et al., “Humidity stability of halide solid-state electrolytes,” Journal of Materials Chemistry A, 2025.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta06216k - 9）Agbeworvi, G. et al., “Fluoride ions as charge carriers in electrochemical energy storage,” Nature Materials, 2026.
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02654-y
