カナダの電力会社は、2019年のノーベル賞受賞者ジョン・グッドイナフ氏の物議を醸している急速充電の不燃性ガラス電池の商業化を目指すと発表した。
グッドイナフ氏は、1970年代から80年代にかけて充電式リチウムイオン電池を発明したチームの一員として最もよく知られています。このチームには、イギリス系アメリカ人化学者のM・スタンレー・ウィッティンガム氏と日本の吉野彰氏も含まれており、昨年ノーベル化学賞を受賞しました。
彼らが開発した技術は、今日でもほとんど変わっていません。今日のほとんどの家電製品には、ソニーが1991年に初めて発表した当時と同じ電池コア部品が使用されています。電池の正極はグッドイナフ氏が開発したコバルト酸リチウム正極、負極は吉野氏が開発した炭素負極です。そして、正極と負極をつなぐ電解質は液体で、通常はエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの有機溶媒に溶解したリチウム塩です。
携帯電話や車に使われているリチウムイオン電池は、3人の化学者にノーベル賞をもたらしました。
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しかし、リチウムイオン電池には深刻な欠点があります。まず、電解液は可燃性です。急速充電すると、陽極にデンドライトと呼ばれる金属ウィスカーが成長し、これが電解液を通過して電池の寿命を縮めたり、場合によってはショートして発火を引き起こしたりする可能性があります。
グッドイナフ氏の新しい電池は、ポルトガルのポルト大学のマリア・ヘレナ・ブラガ氏と共同開発され、2016年に発表された論文で説明されているように、液体電解質に似た伝導性を持つリチウムガラス電解質と、デンドライトを生成しないリチウムまたはナトリウム金属アノードを使用する固体電池である。
これは、リチウムガラスが不燃性であるため安全性が高いだけでなく、信頼性も向上していることを意味します。この新しいバッテリーは、数時間ではなく数分で充電でき、23,000回の充放電が可能です。これは、例えば一般的な電気自動車のバッテリーの約1,000サイクルを大幅に上回る回数です。これは、リチウムまたはナトリウムをドープしたガラスが、リチウムイオンバッテリーの揮発性有機液体電解質よりも高い誘電率を実現しているためです。
研究者たちは、リチウムではなくナトリウムの負極に注目している。なぜなら、ナトリウムは世界中の海水から供給できるからだ。一方、リチウムの供給は、南米の数カ国における不透明な採掘に依存している。
グッドイナフ氏とブラガ氏は2018年の論文で、このバッテリーのエネルギー貯蔵容量は、他のすべてのバッテリー技術のように減少するのではなく、300回以上の充放電サイクルを経て増加すると主張している。当然のことながら、批評家たちは懐疑的である。
ブラガ氏はThe Register紙に対し、この現象はバッテリーのガラス電解質が強誘電体であるため、電界を印加すると分極が変化するためだと語った。バッテリーが充電と放電を繰り返すと、この電解質は電界（バッテリー内部）の方向に合わせて整列し、バッテリー容量を増加させる。
彼女はさらにこう付け加えた。「局所的には、負極との界面に負性容量コンデンサが形成され、二重層コンデンサと負性容量コンデンサ間の電圧が低下します。しかし、フェルミ準位は整列したままでなければならないため、二重層コンデンサの電圧は一定に保たれ、より多くの陽イオンが界面に拡散し、セルの容量、ひいては電圧が増加します。」
「つまり、二つの相反する現象が存在します。一つは強誘電体材料の最適化、もう一つは化学反応による劣化です。ある時点でエントロピーが勝ります。しかし、その前に、強誘電体の最適化が必要です」と彼女は述べた。
「これは何も新しいことではありません。自然界の他の多くの現象でも起こるプロセスです。人間の脳も非常に似た働きをしています。ある時点で私たちはエントロピーに圧倒され、死に至ります。しかし、それまでの間、私たちの脳細胞は絶えず再配置され続けています。」
グッドイナフ氏のアイデアが抵抗に遭ったのは今回が初めてではない。リチウムイオン電池を共同開発した当初は、電池業界や家電業界ではほとんど誰も真剣に受け止めてくれなかったと彼は語っている。ソニーが彼の特許を取得し、携帯型製品として商品化して初めて、誰もが注目するようになった。今日では、携帯電話からタブレット、ノートパソコン、電気自動車まで、あらゆる製品にリチウムイオン電池が使われている。
グッドイナフ氏は、全固体電池が今後5～10年以内に商業的に成功する可能性があると見ている。特許を保有するテキサス大学オースティン校（UT）は、この技術の商業化に向けて、電池メーカー、自動車メーカー、化学メーカーなど「多数の企業」と協力関係にあると述べた。
ハイドロ・ケベックがソニーの後継事業を引き継ぎます。カナダ最大の電力会社である同国電力会社は先月、この計画を初めて発表しました。同社は2年以内にガラス電池の商用化を目指しています。
この契約により、ハイドロ・ケベックは材料を合成し、バッテリーセルを製造し、セルの性能をテストし、特許取得済みの材料配合が実行可能かどうかを確認できるようになります。
「ハイドロ・ケベック社が、製品が製造可能かどうか、また既存のリチウムイオン電池と比べてその製品の性能がどうなのかを知るには、相当な開発作業とテストが必要になるだろうと考えています」と、UTの技術商業化局長レス・ニコルズ氏は、私たちに送られた電子メールの声明の中で述べた。
同社の研究開発部門である交通電動化エクセレンスセンターは、グッドイナフ氏および彼の母体であるテキサス大学オースティン校と25年にわたって協力している。
同社は既に、コバルトの代わりに鉄を使用したグッドイナフ社のリン酸鉄リチウム電池を開発している。この電池は、寿命サイクルが長く、放電電圧がより一定であるため、他の電池技術とは異なり、放電するまでほぼフルパワーで動作することができる。
「グッドイナフ博士のチームが、自社の技術を市場に投入するために私たちを選び、ハイドロ・ケベック社への信頼を改めて表明してくれたことを大変嬉しく思います」と、同センターのカリム・ザギブ所長はエル・レグ紙への声明で述べた。
成功すれば、ハイドロ・ケベックはバッテリーメーカーと協力して新型バッテリーを生産する予定です。UTは、この成果として生み出される製品から収益の一部を受け取ることになります。
新技術の追求は彼らだけではない。テスラ向けリチウムイオン電池を開発しているパナソニックをはじめ、BMW、ホンダ、ヒュンダイ、日産、トヨタなど複数の自動車メーカーが、独自の固体電池技術を開発している。ハイドロ・ケベックは、自社技術について複数の選択肢を検討しているものの、現在は電気自動車（EV）市場に焦点を当てていると述べた。
電動化を推進する自動車業界にとって、バッテリー技術は特に重要です。業界関係者の中には、2025年までにEVが世界全体の約15%を占めると予測する人もいます。自動車メーカーはこれを実現するために多額の投資を行っています。ロイターが昨年1月に実施した調査によると、今後5～10年間で、バッテリーを含むEV関連の世界全体の支出計画は約3,000億ドルに上るとされています。
しかし、多くの製品と同様に、この技術は最初は大きくて高価なものから始まり、その後、小型で比較的手頃な価格の個人向けテクノロジー製品へと徐々に普及していくでしょう。
ブラガ氏は、この新しいバッテリーが画期的なものだと考えているが、近い将来私たちの携帯電話にそれが搭載されるかどうかについては口を閉ざしている。
「こうしたことは科学者だけに依存するものではありません。業界が製品を採用するのは、単に良し悪しだけを理由にしているわけではありません。タイミングがすべてなのです。」®
