目次
何がすごいの？ リチウムイオン二次電池
3人の受賞者たち
Point
■2019年のノーベル化学賞に、リチウムイオン電池の開発に貢献した旭化成名誉フェロー吉野彰氏を含む3人の科学者の授与が決まった
■リチウムイオン電池は、小型・軽量化ができ、かつ容量の大きい充電可能な電池で、現代のワイヤレス機器には欠かせない技術だ
■リチウムはアルカリ金属に属し、発熱・爆発などの危険性が高かった。吉野氏は純粋なリチウムを除去して、電池の危険性を大幅に減少させた
2019年のノーベル化学賞に、リチウムイオン電池(LIB)の開発に貢献した3人の科学者、テキサス大学John B. Goodenough氏、ニューヨーク州立大学ビンガムトン校M. Stanley Whittingham氏、旭化成株式会社および名城大学の吉野彰氏が選ばれました。
LIBは、小型軽量化が可能で、容量が大きく、また従来のバッテリーと異なり電気を使い切らないまま継ぎ足しで充電を繰り返せるという非常に優れた性能を持っています。
耳に引っ掛けるだけの小型ワイヤレスイヤフォンや、PC並みの性能を持つ薄いスマートフォンが、独立した状態で8時間以上も連続稼働可能なのもLIBが実用化されたおかげなのです。
今回のノーベル化学賞の中核となるリチウムイオン電池はどのように実用化されたのか？ 今回の受賞者たちが果たした功績とは何なのか？ 解説していきましょう。
The Nobel Prize in Chemistry 2019
何がすごいの？ リチウムイオン二次電池
電池は使い捨てを一次電池、充電して再利用可能なものを二次電池と呼びます。今回話題のLIBは充電可能なので、正式名称は「リチウムイオン二次電池」といいます。
ほんの20数年前まで、小型携帯機器のバッテリーは非常に使いづらいものでした。
30歳以上の人なら誰しも経験があるかと思いますが、昔のバッテリーにはメモリー効果と呼ばれる現象がありました。これはバッテリーの容量を使い切らずに充電を行うと、利用可能な電気容量が残量分減ってしまうという困った性質です。
メモリー効果のメカニズムは未だにはっきりわかっていません。しかし、LIBはこのメモリー効果を起こさないのです。
また、昔の二次電池は溶媒が水でした。水は1.5V以上の電圧がかかると電気分解してしまうため、それ以上の電力が得られませんでしたが、LIBは非水系電解液を使うことで4V以上の高い起電力と容量を確保できています。
3人の受賞者たち
リチウムは銀白色の金属で、水素、ヘリウムに次いで軽い元素です。ビッグバンの数分後には生成されていて、今でも宇宙線が星間ガスに衝突したとき生成されています。
そのためリチウムは宇宙ではありふれた物質です。しかし、純粋なリチウムは非常に反応性が高く危険な物質でもあります。
リチウムはナトリウムと同じアルカリ金属元素です。ナトリウムは水をかけるだけで爆発する危険物として有名ですが、リチウムも似た性質を持っていて水を掛けるだけで発熱して反応します。空気中の水分とも反応してしまうので、基本的にリチウムは油中に浸して保管します。
今回の受賞者の1人、Stanley Whittingham氏はリチウムの弱点とも言える反応性の高さに着目し、世界で最初のリチウム電池を開発しました。
リチウムの様なアルカリ金属は最外殻に電子を1つしか持たず、他の原子へ移動しようとする強い力を持っています。この作用から正電荷を持った安定したリチウムイオンを生成し、電池に利用したのがLIBです。
97歳の最高齢受章者となったテキサス大学オースティン校のGoodenough氏は、1980年に陽極側をコバルト酸リチウムに交換することで、LIBのエネルギーポテンシャルを倍増させ、より長寿命の安定した電池にする改良に成功しました。
しかし、LIBには大きな問題が残っていました。それはリチウムの反応性の高さによる発熱・発火の危険性を取り去ることができないということでした。
LIBの爆発する危険性には、Goodenough氏も頭を悩ませたといいます。
このLIBの危険性を解消し、実用化への目処を付けたのが、旭化成の名誉フェロー吉野彰氏です。
吉野氏は、危険性の高い純粋なリチウム金属の利用を除去し、陰極側に特殊な炭素を使い、陽極側にコバルト酸リチウムを使用しました。これにより、軽量化可能な上に、発熱の危険性が低い実用的なリチウムイオン電池の開発に成功したのです。
この研究では、吉野氏はこの改良されたリチウムイオン電池が爆発しないことを示すために、電池に鉄球を落として安全性の実証をしました。
下の画像はドイツ化学会の学術雑誌「Angewandte Chemie（アンゲヴァンテ・ケミー）」に掲載された氏の論文の実験画像です。かなり過激な実験で安全性をアピールしています。
こうして、現在広く使われる重要技術、リチウムイオン二次電池の道筋が立ち、私達はスマホにワイヤレスイヤフォン、薄くて軽いノートPCなどが利用できるようになったのです。