日本人ノーベル賞受賞者が出た「電池」次世代電池の研究開発最前線は？

2019.11.1

11月11日は「電池の日」。イタリアの物理学者ボルタが最初の電池を発明したのは219年前の1800年でした。自動車で使われる鉛蓄電池は1859年に、乾電池は1888年に発明されました。生活の中でおなじみの電池ですが、新技術の開発競争はまさにハイテク最前線で、10月9日、「リチウムイオン電池」開発に貢献した功績で旭化成名誉フェローの吉野彰博士がノーベル化学賞を受賞しました。

何度も充電できるリチウムイオン電池は、ニューヨーク州立大学のスタンリー・ウィッティンガム博士が1970年に原理を発見し、テキサス大学のジョン・グッドイナフ博士が電極材料を改良し、吉野博士が電極の改良とともに簡単に発火しない安全性を確立して実用化の道を開きました。
この3人の博士がノーベル化学賞を受賞しました。最初の製品が発売されたのは1991年で、現在はスマホから電気自動車まで幅広く使われています。

リチウムイオン電池は「小型・軽量でも大きなパワーが得られる」「充電、放電を繰り返しても容量が目減りせず寿命が長い」「自己放電しにくい」「酷暑、酷寒の地でも使える」「リチウムは塩水湖に大量に埋蔵され低価格でつくれる」といった優れた特徴があり、そのおかげで広く普及しました。

しかし、「いや、まだ物足りない。もっといい電池をつくれないのか？」という産業界、社会のニーズは尽きることがありません。それに応えようと、世界中の科学者、技術者が、リチウムイオン電池に取って代わる次世代のイノベーションを生み出そうと、研究に、開発に懸命に取り組んでいます。もし人の生活を一変させたり、地球環境問題の解決に大きく貢献するような画期的な電池が発明されたら、再びノーベル賞を授賞されるでしょう。

リチウムイオン電池の「次」を狙う次世代電池開発プロジェクトに「全樹脂電池」「リチウム空気電池」「全固体電池」があります。
「全樹脂電池」はリチウムイオン電池と原理は同じですが、電気を蓄える部分や電極などの材質が異なります。リチウムイオン電池では正の電極に金属のコバルト、負の電極に炭素素材が使われますが、全樹脂電池はほぼ全てが樹脂（高分子材料）でつくられます。同じ大きさならリチウムイオン電池のほぼ2倍のパワーが得られ、電気自動車（EV）に向いています。リチウムイオン電池と比べて部材が少なくなる分、材料コストはほぼ2分の1で、製造工程が簡素化されるため工場の設備投資額は数十分の一ですみます。

全樹脂電池を考案し特許を取ったのは当時、日産自動車に勤務していた慶應義塾大学の堀江英明特任教授で、2018年10月に慶大発のベンチャーキャピタルの出資を受けて量産化技術を確立する新会社APBを設立。共同開発先の三洋化成工業も出資しました。実用化が近い純国産の次世代電池です。

全樹脂電池と同じリチウムイオン電池の改良型に「リチウム空気電池」があります。リチウムと空気中の酸素の化学反応を利用するので「空気電池」と呼びます。重さはリチウムイオン電池よりはるかに軽く、1回の充電で長く使えるのでドローンの電源や、ウエアラブル端末や体内医療機器のＩｏＴ（モノのインターネット）用電源に向いています。

原理が発表されたのは1996年ですが、2013年から国家プロジェクトとしてつくば市の国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）が欧米と競争しながら研究開発を進めています。充電時間の問題、寿命の問題などの課題は残りますが、2018年4月にはNIMSとソフトバンクが「先端技術開発センター」を設置し、2025年頃の実用化を目指しています。

「全固体電池」は、部材全てに固体の材料を使い、充電が可能な電池です。リチウムイオン電池は液体の電解質を使いますが、それを固体の粉体や薄膜が代用します。電解液は漏れると毒性があり発火する恐れもあるので厳重にケースに閉じ込めなければならず、そのため小型化に限界がありますが、全固体電池でそんな心配をしなくても小型化できます。
安全性があり小型・軽量でも大きなパワーが得られるだけでなく、充電が早い、電解液の凍結や蒸発の恐れがないので酷暑、酷寒の環境でも性能を維持できるメリットもあります。電気自動車（EV）に適していて、トヨタ自動車は「2020年代前半に全固体電池の実用化を目指す」とアナウンスしています。

日本では東京工業大学科学技術創成研究院の菅野了次教授をリーダーとする「全固体電池研究ユニット」が、欧米など世界中の研究者と競争しながら最先端の研究を行い、実用化を目指しています。
次世代電池はハイテク研究の中でも日本人の活躍が目立つ分野です。「吉野先生に続け」とテンションが上がっているでしょうか。

参考URL：
https://wired.jp/2019/10/10/nobel-for-gadgets-lithium-ion-batteries-win-the-prize/
https://michinokutrade.hateblo.jp/entry/2015/12/06/112614
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO42209990Y9A300C1000000/
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO45473080Q9A530C1X90000/
https://www.toyo.co.jp/solution/car/column/detail/id=15675