今朝、携帯電話や電気自動車などのモバイル電子文明を可能にした技術であるリチウムイオン電池の開発に貢献したとして、3 人の研究者がノーベル化学賞を受賞しました。テキサス大学オースティン校の John Goodenough 氏、ビンガムトン大学の M. Stanley Whittingham 氏、名城大学の吉野彰氏が均等に賞金を分け合います。
グッドイナフとウィッティンガムの両方と仕事をしてきたケンブリッジ大学の化学教授であるクレア・グレイは、次のように述べています。 「携帯電子機器の革命全体を支え、CO2 の削減を促進しているのはリチウム イオン バッテリーです。 可能です」と彼女は付け加えました。
「世界人口の 3 分の 2 以上が、スマートフォン、ラップトップ、タブレットなどのモバイル デバイスを所有しており、そのほぼすべてが充電式リチウム イオン電池を使用しています」と、材料科学および冶金学の教授であるポール コクソンは述べています。ケンブリッジ大学で、電子メールに書いた。 「彼らは、40年以上前に始まった基礎研究のおかげで生まれたモバイル時代の隠れた主力です。」本日の賞は、グッドイナフ、ウィッティンガム、ヨシノがその変革の中でそれぞれ果たした役割を称えるものです。
研究者たちが 40 年以上前に研究を開始したとき、世界はエネルギー危機と環境危機に直面していました。 19 世紀後半の電気時代の黎明期、バッテリーは初期の自動車やその他の機器の一般的な備品でした。しかし、それらは重くて非効率的であり、それらを改善するための研究は停滞していました.石油燃料は、自動車やその他の要求の厳しいシステムに電力を供給するための主要なエネルギー源としてすぐに引き継がれました.
しかし、1960 年代までに、石油への過度の依存の危険性が明らかになりました。米国では、都市のスモッグに満ちた空気やその他の環境上の危険と相まって、石油不足により、エネルギーの貯蔵と使用のより持続可能な方法を見つけるための研究が (そして迅速に) 必要であることが明らかになりました.
そして、電池の研究が復活しました。特に、科学者たちは、周期表で最も軽い金属であり、特に電子を放棄してイオンを形成しやすい材料であるリチウムを利用できるものを探しました。しかし、「バッテリーでリチウムを使用するには、その反応性を制御する必要があります」と、ローウェルにあるマサチューセッツ大学の化学教授であり、ノーベル賞委員会のメンバーである Olof Ramström 氏は、本日の発表で述べました。 「そして、それはまさに受賞者の仕事が達成したことです。」
バッテリーは基本的に、正に帯電したカソードと負に帯電したアノードの 2 つの電極で発生する一連の化学反応を通じて、エネルギーを蓄えたり放出したりします。陽イオンは、2 つの間の電解質を通ってアノードからカソードに移動します。これにより、接続されたデバイスに電力を供給するように設定された回路を逆方向に流れるように電子が促されます。このプロセスを逆にして、バッテリーを充電可能にします。
「バッテリーを作るのは比較的簡単に見えるかもしれません」とRamströmは言いました。 「しかし、そうではないことは確かです。うまく機能する効率的なバッテリーを製造、設計、開発することは本当に非常に困難です。」
しかしウィッティンガム、グッドイナフ、ヨシノは道を見つけた.
1970 年代、ウィッティンガムは新しい超伝導材料の研究を行っていました。特に、イオンをマトリックスに容易に取り込める層状固体に焦点を当てていました。この作業とバッテリー開発との関連性はすぐに明らかになりました。これにより、ウィッティンガムは、リチウムイオンがその中を自由に移動できるようにする新しいカソード材料である二硫化チタンを開発することになりました。 「スタンは最初からそこにいました。彼は、オックスフォード大学とスタンフォード大学で以前に思いついた非常に古典的な固体化学の原理を使用していた.彼の陰極研究は、「私たちが何年にもわたって構築してきた材料とアイデアのすべてのクラスを見つけるための基礎を形成しました。」
その後、Whittingham の研究に基づいてバッテリーの設計を改善しました。関連する化学原理の理解から、彼は、金属酸化物材料が金属硫化物よりも多くのエネルギーを陰極に保持できることに気付きました。最終的に、彼は、二硫化チタンのカソードを酸化コバルトでできたものに交換すると、バッテリーの電圧をほぼ 2 倍にすることができ、エネルギー容量も増加させ、1 回の充電で寿命を延ばした高電圧バッテリーを可能にすることを発見しました。
ETH チューリッヒの情報技術および電気工学科の教授である Vanessa Wood は、Goodenough の層状カソード設計が今日でも使用されていると述べています。 「1991 年にソニーが最初に商品化してから、今日のテスラ車やラップトップ、携帯電話に搭載されているバッテリーの進化を見ると、これらのカソード材料は改善と革新の重要な源の 1 つでした。 .」
最終的な改良点は吉野からもたらされ、陽極に焦点を当てました。リチウム金属アノードは常に問題を抱えていました。特に、その不安定性によりバッテリーが短絡して爆発することがあるからです。 「私の研究の初期段階は、二次電池に関するものではありませんでした」と吉野氏は発表式でのノーベル委員会との電話インタビューで語った。 「最初のステップは新素材でした。それは導電性ポリマーです。」それにもかかわらず、その研究は、純リチウム金属アノードを炭素マトリックスである石油コークスで作られたものに置き換える方法を吉野に示しました。 Goodenough の新しいカソードと組み合わせると、安全で軽量で高効率のバッテリーが作成されました。
その設計は今日どこにでもあり、ポータブル電子機器に電力を供給し、太陽や風などの再生可能エネルギー源から生成された電力を効率的に貯蔵して稼働させることができるため、世界のエネルギー インフラストラクチャをより持続可能な方向にシフトするのに役立ちます。
「3 人のノーベル賞受賞者はすべて、このエネルギー貯蔵革命において重要な役割を果たしました。これにより、今では私たちのポケットに力が入りました」と Coxon 氏は述べています。
バース大学のエネルギー材料研究グループの化学教授であるサイフル イスラム氏は、次のように述べています。 「実際、ほとんどの人はおそらく、このノーベル賞のニュースをリチウムイオン電池を搭載したデバイスで見たでしょう。私の見解では、この賞は長い間待ち望まれていたものであり、材料化学のこの重要な分野が認められたことは素晴らしいことです。」
この記事には、Elena Renken からの寄稿が含まれています。
ミシェル マヨール、ディディエ ケロス、ジェームズ ピーブルズが今年の優勝 ノーベル物理学賞 、William G. Kaelin Jr.、Peter J. Ratcliffe、Gregg L. Semenza が ノーベル生理学・医学賞 .
