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リチウムイオン電池わかりやすく解説。ノーベル賞級の発明はどうやって生まれたのか?

リチウムイオン二次電池を開発中の学者

今回は2019年ノーベル化学賞を受賞した吉野彰 博士の「リチウムイオン電池」についてご説明します。

理系に詳しくないママにもわかりやすい解説を心がけていますので、最後までお付き合いくださいね。

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リチウムイオン電池とは?

リチウムイオン二次電池とは?

まず現代の生活はリチウムイオン電池が成り立たないというはご存知でしょうか?

例えばみなさんが使っているスマホやノートパソコン、ほとんどのバッテリー式の家電製品にはリチウムイオン電池が利用されています。

車のバッテリーなどは別ですが、世の中のかなりのバッテリーがリチウムイオン電池からできているのです。

ちなみに「リチウムイオン二次電池」の二次とは充電可能という意味です。

乾電池(単三電池など)は充電ができないので一次電池と呼ばれることもあります。

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リチウムイオン電池はどうやって発明された?

研究開発する女性の学者

さて今年、リチウムイオン電池の受賞者として3名の研究者が選ばれました。

アメリカ人のジョン・グッドイナフ博士、スタンリー・ウィッテインガム博士・そして日本の吉野彰博士です。

この3人はリチウムイオン電池の重要な発展を支えた研究者です。

そもそも理想的な電池とはどのような電池でしょうか?

スマホをイメージしてもらえると良いですが、重い電池は誰も使いたくないですよね?

そのため電池は軽く、そのうえ電池としての力(電圧)が高いことが理想です(電圧が高いとスマホなどの画面を明るくすることができます)。

この条件を満たしているのがリチウムイオン電池の原料であるリチウムです。

リチウムは周期表でいうと3番目の元素です。

そのため非常に軽いという特徴があるため、これを原料とした電池も非常に軽くすることができます。

しかしながら、リチウムには不安定な物質であるという特徴もあります。

そのため、ちょっとした水をかけたり刺激を与えるだけで燃えてしまうなど非常に扱いづらい物質でした。

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リチウムイオン電池は扱いづらい物質だった。

子供の夢は「材料工学の研究職になること」

リチウムイオン電池は材料としては理想的なのですが、取り扱いが難しく商品化しづらい電池でした。

この難しい性質をもったリチウムをうまく電池として発明したのが、今年の受賞者の3名の研究者です。

とはいえ3名の研究者が協力して、ポンっとリチウムイオン電池が発明されたわけではありません。

リチウムイオン電池には化学の長い歴史が存在します。

そもそもの始まりはウィッテインガム博士による研究です。

ウィッテインガム博士はリチウムがイオン化したあと、電池内でそのままの状態を保つために必要なリチウムのペアとなる物質を発見しました。

この物質はミルフィーユのような構造をしており、間にリチウムを保存することができます。

しかしここで開発された電池はせいぜい2ボルト程度の電圧しかなく、あまりよい電池ではありませんでした。

そこでグッドイナフ博士はリチウムのペアとなるミルフィーユ状の良い物質を探すことに成功しました。

これで電池を作ると4ボルトの電圧を達成することができ、電池として十分な性能を持つことができました。

ところがまた問題発生です。

ここで発明したリチウムイオン電池はちょっと衝撃を加えたり、水がかかるだけですぐに燃えてしまうなど大衆に普及させるためには危険が多すぎる電池だったのです。

高い電圧で安全な電池を作ることに成功

そこで新たな工夫を凝らしたのが吉野彰博士です。

吉野博士はポリアセチレンという炭素物質をリチウムと交換する、という大胆な手法を発明しました。

これにより4ボルトの電圧をキープしたまま、さらに安全な電池を作ることに成功しました。

このようにリチウムイオン二次電池は3名の科学者による1度の発見と2度の革命により発明され、ついにノーベル賞を受賞することになったのです。

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環境にやさしく時流にマッチしている

地球環境を考える小学生

実はこの3名によってリチウムイオン二次電池が1980年代に発明されたのですが、現代においてもほぼ同じリチウムイオン電池を利用しています。

ではなぜノーベル賞は今になってようやくリチウムイオン二次電池に賞をあげることを決めたのでしょうか?

実はそれは近年の世界情勢と大きくリンクしています。

近年、グレタ・トゥーンベリさんのスピーチでもあったように世界規模の環境問題を声高に叫ぶ人が増えています。

この問題を軽減する一つの方法となるのが蓄電池であると言われています。

電気を蓄えることにより無駄な電力を減らし、地球環境を守ることができるからです。

今回受賞したリチウムイオン電池は電気自動車にも利用されており、ガソリン車ではなく電気自動車を利用することで二酸化炭素の排出を抑えることもできます。

このようにリチウムイオン電池は、ノーベル賞を受賞するべくして受賞したと言われています。

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めざせノーベル賞!

ノーベル賞2019年受賞

2019年は世界の至る所で気候変動デモが起き、ますます世界では環境問題が重要になっていくと考えられます。

将来、ノーベル賞を受賞したい方は、このような世界情勢を見つつ研究を進めていくと、人類にはこれから何が必要で、世界をより良くするための貢献ができれば、ノーベル賞の受賞も夢ではないでしょう。

この記事を書いたのは

大学の先生

30代大学教員 アメリカ在住

京都大学大学院修了 博士(工学)