2019年のノーベル化学賞発表

 2019年のノーベル化学賞に旭化成名誉フェローで名城大学教授の吉野彰氏(71)が選ばれた。授賞理由は「リチウムイオン二次電池の開発」である。

 現在、リチウムイオン二次電池 (LIB) は携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ・ビデオ、携帯用音楽プレイヤーを始め幅広い電子・電気機器に搭載され、2010年にはLIB市場は1兆円規模に成長した。小型で軽量なLIBが搭載されることで携帯用IT機器の利便性は大いに増大し、迅速で正確な情報伝達とそれにともなう安全性の向上・生産性の向上・生活の質的改善などに多大な貢献をしている。

 また、LIBは、エコカーと呼ばれる自動車 (EV, HEV, P-HEV) などの交通機関の動力源として実用化が進んでおり、電力の平準化やスマートグリッドのための蓄電装置としても精力的に研究がなされている。

 LIBは実用化され、人に役立っている研究である。IT時代の進展に大きく貢献したことが評価された。2014年にノーベル賞を受賞した発光ダイオードを思い出す。どちらも日本で開発され世界に広がった技術であり、日本の科学技術が評価されたことがうれしい。

 日本人の化学賞受賞は2010年の鈴木章氏、根岸英一氏以来で8人目。日本人の各賞受賞者は合わせると27人になった。吉野氏と共同受賞したのは米国テキサス大学オースティン校教授のジョン・グッドイナフ氏(97)とニューヨーク州立大学ビンガムトン校教授のスタンリー・ウィッティンガム氏(77)。97歳のグッドイナフ氏は、最年長受賞記録を更新した。それまでの記録は昨年物理学賞を受賞したアーサー・アシュキン氏の96歳だった。授賞式は12月10日にストックホルムで開かれる。賞金900万スウェーデン・クローナ(約9700万円)が吉野氏ら3人に贈られる。

 吉野氏は1948年1月30日生まれ。1970年京都大学工学部卒、京都大学大学院工学研究科修士課程修了後、旭化成に入社。2003年に旭化成グループフェローに就任した。同氏は同じ化学賞を受賞した白川英樹氏が発見した導電性高分子のポリアセチレンに着目し、充放電可能な2次電池の開発を始めた。そしてコバルト酸リチウムを正極とする2次電池を試作後、1985年にリチウムイオン電池の開発に成功した。リチウムイオン電池は起動力が大きく小型化も可能。携帯電話、ノートパソコン、電気自動車などに使われている。

 吉野氏は受賞決定直後、ノーベル財団のインタビューに次のように語った。

「私は基礎研究を長くやってきた。1981年からリチウム電池の研究を本格的に始め、1985年に作ることができた。それまで長い研究プロセスがあった。気候変動は非常に大きな人類の問題だと思う。リチウムイオンは電気を蓄えることができるので持続可能な社会にふさわしい思っている」

 吉野氏は日本メディア向け記者会見で「ストックホルムがリチウムイオン電池を評価してくれたことをうれしく思うし、(受賞は)若い研究者の励みになってくれると思う」と述べ、研究者のあり方として「頭の柔らかさと執着力が必要。剛と柔のバランスが大切だ」と語った。

 吉野氏は昨年の第34回日本国際賞を受賞している。同賞受賞者発表記者会見で「リチウムイオン電池については多くの研究者がその後も開発に携わっているが、若い研究者が私の受賞を契機に素晴らしいイノベーションを生み出してくれると思う」などと喜びを語っていた。

 ノーベル化学賞は、日本人ではこれまで1981年の故福井謙一氏、2000年の白川氏、2001年の野依良治氏、2002年の田中耕一氏、2008年の故下村脩氏、2010年の鈴木氏と根岸氏が受賞している。

 吉野さんが開発に成功「リチウムイオン電池」とは

 「リチウムイオン電池」は、プラスの電極に「リチウム」という金属の化合物を、マイナスの電極に特殊な炭素を使う電池で軽いのに出力が大きく、繰り返し充電できるのが特徴。軽くて出力が大きい電池の開発は昭和50年代から進められてきました。

 「ニッケル」や「鉛」などを使った従来の電池は1.5ボルト前後という低い電圧しか取り出せない欠点があった。一方、「リチウム」を使うと3ボルト以上という高い電圧は得られましたが、発熱や発火のおそれがあり、安全に充電することができなかった。

 こうした中、昭和55年、イギリスのオックスフォード大学で研究していたジョン・グッドイナフさんと当時の研究員で、現在は「東芝」のエグゼクティブフェロー、水島公一さんらがリチウムとコバルトの酸化物「コバルト酸リチウム」をプラスの電極に使うと、電圧が高いだけでなく寿命が長い電池になると発表。

 この成果に注目した吉野彰さんが5年後の昭和60年、プラスの電極に水島さんが発見した「コバルト酸リチウム」を、マイナスの電極に特殊な炭素を使い、初めて実用的なリチウムイオン電池の開発に成功した。

 これにより、軽い上に激しい発熱を抑えて安全性が高く、何度でも使うことができる今のリチウムイオン電池の実用化が大きく前進したのです。それからさらに5年後の平成2年、当時、「ソニー」に務めていた西美緒さんがリチウムイオン電池を世界で初めて商品化することに成功した。

 ほかの充電池と違って電気を使い切らないまま継ぎ足しで充電を繰り返しても容量がほとんど減らないため、携帯電話やパソコンなど身の回りの製品に多く使われ、IT機器の普及に大きく貢献している。

 また、時間がたっても失われる電気が少ないことから、9年前に地球に帰還した日本の小惑星探査機「はやぶさ」にも搭載され、7年におよんだ宇宙の旅を支えた。さらに、ハイブリッド車や電気自動車のほか、次世代の送電網を支える蓄電池といったエネルギーや環境の分野でも活用が広がっている。

 世界の市場規模 7兆4000億円に上る予測も

 リチウムイオン電池はスマートフォンやパソコンなどで広く使われていますが、今後は電気自動車などでも利用が広がり、2022年には世界の市場規模が7兆4000億円に上るという予測も出ている。

 リチウムイオン電池は、ノートパソコンや携帯電話、それにスマートフォンなどのデジタル機器で幅広く使われ、普及してきた。

 今後は、車の電動化によって一段と市場が広がると見込まれていて、民間の調査会社「富士経済」は、2022年の世界の市場規模が7兆3900億円余りとなり、おととし時点と比べておよそ2.3倍に伸びると予測している。

 一方で、電気自動車やハイブリッド車に使われるリチウム電池ではパナソニックなどの日本メーカーだけでなく、電気自動車の普及が進む中国のメーカーが急激に力をつけ生産を拡大させています。

 中国で最大手の電池メーカー「CATL」はことしに入ってトヨタ自動車やホンダと電気自動車向けの電池を共同開発することで相次いで提携を結んだ。こうした中、日本のメーカーは、リチウムイオン電池の性能を高める技術開発を進めていて、このうち京セラは、今月、電極層と呼ばれる部分を液体状ではなく粘土状にすることで製造にかかるコストを3割ほど減らせるという新たな技術を発表している。

 材料の成分や配合を変えたことで従来の製品より数年ほど長もちするようになり、発火の恐れも少なくなったとしている。今後はこうした新たな技術開発で日本メーカーが存在感を示せるかも問われることになりそう。

 白川秀樹氏のポリアセチレン

 吉野は、白川英樹(2000年ノーベル化学賞受賞者)が発見した電気を通すプラスチックであるポリアセチレンに注目して、それが有機溶媒を使った二次電池の負極に適していることを1981年に見いだした。さらに、正極にはジョン・グッドイナフらが1980年に発見したリチウムと酸化コバルトの化合物であるコバルト酸リチウム (LiCoO2) などのリチウム遷移金属酸化物を用いて、リチウムイオン二次電池の原型を1983年に創出した。

 しかし、ポリアセチレンは真比重が低く電池容量が高くならないことや電極材料として不安定であるという問題があった。そこで、炭素材料を負極として、リチウムを含有するLiCoO2を正極とする新しい二次電池であるリチウムイオン二次電池 (LIB) の基本概念を1985年に確立した。

 吉野が次の点に着目したことによりLIB(リチウムイオン・バッテリー)が誕生した。

1.正極にLiCoO2を用いることで、正極自体がリチウムを含有するため、負極に金属リチウムを用いる必要がないので安全である。4V級の高い電位を持ち、そのため高容量が得られる

3.負極に炭素材料を用いることで、 炭素材料がリチウムを吸蔵するため、金属リチウムが電池中に存在しないので本質的に安全である
リチウムの吸蔵量が多く高容量が得られる。

 また、特定の結晶構造を持つ炭素材料を見いだし、実用的な炭素負極を実現した。加えて、アルミ箔を正極集電体に用いる技術や、安全性を確保するための機能性セパレータなどの本質的な電池の構成要素に関する技術を確立し、さらに安全素子技術、保護回路・充放電技術、電極構造・電池構造等の技術を開発し、さらに安全でかつ、出力電圧が金属リチウム二次電池に近い電池の実用化に成功して、ほぼ現在のLIBの構成を完成させた。

 1986年、LIBのプロトタイプが試験生産され、米国DOT(運輸省、Department of Transportation)の「金属リチウム電池とは異なる」との認定を受け、プリマーケッティングが開始された。

 1991年、リチウムイオン二次電池 (LIB) は吉野の勤務する旭化成とソニーなどにより実用化された。

参考 日経サイエンス: http://www.nikkei-science.com/?p=59824

  

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