News

世界を変えた電池にノーベル化学賞

Nature ダイジェスト Vol. 16 No. 12 | doi : 10.1038/ndigest.2019.191209

原文:Nature (2019-10-09) | doi: 10.1038/d41586-019-02965-y | Chemistry Nobel honours world-changing batteries

Davide Castelvecchi & Emma Stoye

充電式リチウムイオン電池の開発に貢献した3氏にノーベル化学賞が贈られることが決まった。

2019年のノーベル化学賞は、スタンリー・ウィッティンガム(左)、吉野彰(中央)、ジョン・グッドイナフ(右)の共同受賞となった。 | 拡大する

L TO R: BINGHAMTON UNIV./THE JAPAN PRIZE/UNIV. TEXAS AT AUSTIN

スウェーデン王立科学アカデミー(ストックホルム)は2019年10月9日、エネルギー貯蔵に革命を起こしたリチウムイオン電池の開発につながる研究をしたジョン・グッドイナフ(John Goodenough)、スタンリー・ウィッティンガム(Stanley Whittingham)、吉野彰の3名にノーベル化学賞を授与することを発表した。ノーベル化学賞委員会は、この技術は携帯電話をはじめとする現代のポータブル電子機器に電力を供給する充電式軽量リチウムイオン電池の開発に寄与しただけでなく、将来的に「化石燃料を使わない社会を可能にする」と説明した。

テキサス大学オースティン校(米国)の97歳の固体物理学者グッドイナフは、ノーベル賞史上最高齢の受賞者となった。「大変光栄です。素晴らしいことです。けれども受賞後も私は私。何も変わりませんよ」とグッドイナフはNature に語った。

旭化成名誉フェローで名城大学(名古屋)の化学者でもある吉野は受賞発表後、「素晴らしいです。とても驚きました!」と記者に語った。賞金の900万スウェーデン・クローナ(約1億200万円)は3等分される。

充電池が開く世界

「受賞は遅過ぎでしょう」とバース大学(英国)の材料化学者Saiful Islamは言う。「でも、材料化学の重要分野が認められてよかったと思います。ご存じの通り、『ポータブル革命』を後押したのはリチウムイオン電池ですから」。

リチウムイオン電池は、放電時にリチウムイオンが負極から電解質を通って正極へと移動し、充電時に逆方向に移動するという仕組みで動作する。

1970年代、石油会社エクソンに勤めていたウィッティンガム(現在米国ニューヨーク州立大学ビンガムトン校に所属)は、充電式リチウム電池のアイデアを提示し、負極材料にリチウム金属を、正極材料に二硫化チタンをそれぞれ用いた試作品を開発した。この電池は、エネルギー密度が高く、正極へのリチウムイオンの拡散が可逆的なので充電可能である。しかし、製造コストが高く、安全性への懸念もあったため、商業化はされなかった。

1970年代後半から1980年代初頭にかけて、グッドイナフはリチウムイオンを貯蔵できるコバルト酸リチウムという層状酸化物を正極として用いた充電池を開発した。これにより電池のエネルギー密度が大幅に増大した。コバルト酸リチウムは、今なおリチウムイオン電池の最適な正極材料となっている。

そして1980年代、吉野は負極材料を取り替えて安全性を劇的に向上させ、リチウムイオン電池の商業生産を可能にした。リチウムイオンを取り込むことのできる炭素系材料を初めて負極として用いたのだ。「1981年に開発に着手し、1985年にリチウムイオン電池を発明しました」と吉野は話した。

世界中の研究所で、リチウムイオン電池に代わり得る代替技術の実験や、既存の電池をより安全に、より持続可能に、より長持ちさせる開発が精力的に行われている(2014年6月号「充電池開発の最前線」、2014年12月号「安価で性能に優れた液体金属電池」参照)。しかし、現在の電池の基本設計が今後も優位性を維持すると思われ、電気自動車や電力網向けのエネルギー貯蔵電池を通して、経済の脱炭素化に向けて重要な役割を果たし得ると、ケンブリッジ大学(英国)の材料化学者Clare Greyは言う。「現在のリチウムイオン電池は、今後もしばらく使われるでしょう」。

リチウムイオン電池は、電気自動車などのバッテリーとしても利用されている。再生可能エネルギーを蓄えることができるだけでなく、大気汚染の原因物質や温室効果ガスの排出を減らす効果もある。写真は、電動バイクのバッテリーを工場で組み立てる様子。 | 拡大する

Lisi Niesner/Bloomberg via Getty Images

持続可能な未来

また、ノーベル賞委員会は、太陽や風力などの再生可能資源から得たエネルギーの貯蔵に、近年ますます電池が使われている点を指摘し、各国が化石燃料からの脱却を試みる中、より持続可能な未来を築く上でリチウムイオン電池が果たし得る役割を強調した。

「実用的な研究の重要性を認めたノーベル賞委員会を、称賛したいと思います」と、マサチューセッツ工科大学(米国ケンブリッジ)の化学者Donald Sadowayは言う。電気自動車用に開発されている充電池は、温室効果ガス排出を減らすだけでなく、大気の質を向上させる重要な役割を果たすだろう、とIslamは話す。

ノーベル化学賞委員会の一員であるマサチューセッツ大学ローウェル校(米国)の化学者Olof Ramströmは、今年の化学賞は真に学際的な取り組みを認めたものだと力説した。「多くの化学領域が関わっており、物理学や工学とも関係しています」と授賞発表時に語った。「これらの分野全てが協力し合った、大変良い例となっています」。

リチウムイオン電池技術の開発に貢献した人は数多くいるが、ノーベル賞委員会は良い選択をしたと、ウィッティンガムの共同研究者Greyは話す。特に、グッドイナフは、材料研究分野の「知の巨人」であり、電池以外の分野でも基盤となる多くの貢献をした。「グッドイナフは、それまでの磁性に関する考え方を変え、電子伝導の説明に尽力しました」とGreyは言う。

最も楽しかったのはリチウム電池の研究かと尋ねられると、グッドイナフは「いいえ。一番楽しかったのは、モット転移という過程を調べる研究に思います」とNature に語った。モット転移とは、材料中の電子が自由に動ける状態から個々の原子に束縛されて動けなくなる状態へ移り変わる過程のことである。

(翻訳:藤野正美)

キーワード

Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

プライバシーマーク制度