バッテリーが大容量化と「発熱問題」の解決を両立する日がやってくる
バッテリーの性能が向上すれば、それを搭載する製品もよくなる。スマートフォンなら長時間使えるようになるし、電動の乗り物なら急に電池切れで止まるかもしれないという不安から解放される。そして、データセンターのように電力を大量に消費する設備でも、エネルギーの効率的な利用が可能になるだろう。
それなのに電池関連の技術は、いら立つほどにゆっくりとしか進歩していない。原因はバッテリー内部で起こる化学反応と、新しいテクノロジーを製品化する際に生じるさまざまな問題にある。ほぼ確実に実用化できそうな技術すら、研究段階から消費者向けデヴァイスに実装されるまでには、信じられないほど困難で長い道のりが待っている。
だからと言って、科学者や研究者たちは努力をやめてしまったわけではない。過去数年にわたり、充電可能なリチウムイオン電池（携帯電話に使われているごく一般的な電池だ）の内部の化学物質を変えることで、エネルギー密度と安全性を高める試みが続けられてきた。
次の最新モデルの発売には間に合わないかもしれない。だが、家に帰ってきたときにスマートフォンのバッテリーの残量がゼロに近くなっているのを見れば、未来に思いをはせる気にもなるはずだ。
リチウムイオン電池の限界
最近の電池はやたらと複雑だ。テクノロジーにかなり詳しくても、これを理解するためには化学の博士号でも必要ではないかと思わされる。だが、わかりやすく解説するようにしてみよう。
片手で持てるような携帯電子機器は、ほとんどがリチウムイオン電池を内蔵する。充電可能なリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレーター（隔膜）、電解液で構成される。正極と負極は電池の「端」で、リチウムイオンが電解質に運ばれて正負の電極の間を移動すると帯電という現象が起き、エネルギーが蓄えられる。
リチウム塩の有機電解液は、最も軽量かつ効率的なバッテリー液のひとつだと考えられている。だがエネルギー密度には限界があり、一定量の電荷しか蓄えることはできない。
また、扱いによっては危険な状態にもなる。セパレーターが破損するなどして正負の電極が接触すると、電池が発熱する。電解液は可燃性なので、温度があまりに上昇すると爆発が起こるのだ。
パデュー大学機械工学科でエネルギー変換と蓄電を研究するパーサ・ムカージーは、次のように語る。「電気自動車（EV）の事故や少し前に起きたサムスンのスマートフォンの発火問題は、たいていの場合は熱暴走が原因です」
この解決策として研究が進むのが、新たな材料を用いた次世代バッテリーだ。例えば、負極材を黒鉛ではなくシリコンのナノ粒子にして、電解液ではなく固体の電解質を使うことで、変換効率と安定性を向上させる。
シリコン素材を使った電池が実用化へ
リチウムイオン電池の負極材には一般的に黒鉛が使われているが、最近では非常に微細なシリコンの粒子が注目されている。カリフォルニアに本社を置くSila Nanotechnologiesは、来年中にナノ構造のシリコン素材を使った電池の製品化が実現するとの見方を示している。
Silaの最高経営責任者（CEO）のジーン・バーディチェフスキーは、シリコン原子（ケイ素）は炭素原子の20倍の量のリチウムイオンを蓄えることができると説明する。バーディチェフスキーは起業したばかりのテスラで働いていたこともあるが、「シリコンにすれば、黒鉛より少量で同じ量のエネルギーをためこむことが可能になるのです」と言う。
Silaは来年早々にも負極がシリコンの消費者向けリチウムイオンバッテリーを市場投入する計画で、寿命は従来の製品より20パーセント長くなると期待されている。
シリコン負極の研究開発を進める企業はほかにもある。アルゴンヌ国立研究所、サンディア国立研究所、およびローレンス・バークレー国立研究所のコンソーシアムもそのうちの1社だ。ただバーディチェフスキーと、Silaの共同創業者で最高技術責任者（CTO）のグレブ・ユシンは、自分たちは「膨張」問題を解決している点で他社とは異なると主張する。
シリコンには膨張しやすい性質があり、充放電を繰り返すうちにナノ粒子が破壊されて導電経路が断たれてしまう。Silaはシリコンの粒子を球状の構造体に収めることで周囲に空間をつくり、膨張への耐性をもたせた。
こう書くと簡単そうに聞こえるが、理論の実用化は非常に難しかった。バーディチェフスキーは「この構造体をつくる方法を開発するのに、7年かけて3万回の実験を行いました。誇張ではなく、本当に3万回です」と言う。
バーディチェフスキーによると、電池関連の新技法の開発では「ある点を改良したことで、ほかの点が改悪されることのない」ように注意を払う必要がある。「研究段階ではよくあることなんです。研究室での実験では、どこかを変えると別のところがダメになるようなことがよく起こりますからね」
リチウム金属の採用で大容量化が可能に
リチウムイオン電池には安全性をめぐる懸念という大きな問題がつきまとう。1980年代後半に世に出た直後から何度も発火事故が起きており、携帯電話の大がかりなリコールの原因にもなった。
しかし、パデュー大学のムカージーなどは、過去5年で状況は大きく変わったと指摘する。負極材にリチウム金属を用いた大容量のリチウム金属電池が市場に出回るようになったのだ。
背景にあるのはEVの普及だ。17年12月に科学誌『Nature』に掲載された論文で、エネルギー省の専門機関であるエネルギー高等研究計画局（ARPA-E）のチームは、「現行のリチウムイオン素材のプラットフォーム」が22年までに重量、エネルギー密度、コスト面の3点でエネルギー省の設定した目標をクリアするのは難しいだろうと述べている。一方、リチウム金属電池なら最大で50パーセントの大容量化も可能だ。
エール大学の研究チームが今年5月に、『米国科学アカデミー紀要』でリチウム金属を用いた電極に関する論文を発表した。「ディープサイクルバッテリー」に関する研究で、80パーセント以上の放電サイクルでの動作を前提とした技術だ。
チームを率いたハイリャン・ワンは「バッテリー効率を80〜90パーセントに保つ方法」に関するものだと説明する。グラスファイバー製のセパレーターを事前にリチウム硝酸塩溶液に浸しておくことで、放電中にリチウム硝酸塩がゆっくりと排出され、「電極のパフォーマンスが著しく向上する」という。
だが、発熱という最大の問題が完全に解決したわけではない。ワンのチームは研究室内部の実験では、リチウム金属とセパレーターの保護剤という組み合わせが機能することを証明したが、それが実世界にも応用できるかは不透明だ。
ワンは電話でのインタヴューで、「きちんとコントールされた環境における小規模な実験でした。安全性に気を配る必要はなかったんです」と話す。「前進であることは確かですが、実用化にはほど遠いでしょう」
待望の「全固体電池」は量産が実現するか
バッテリー業界の研究者は「全固体電池」と「リチウム金属電池」という言葉を同じような文脈で使うことがある。ひとつの電池で両方の技術を採用することができるからだ。また、全固体電池もEVへの利用の可能性から関心が高まっている。
全固体電池は、電極と電解液をリチウムイオン伝導性のあるガラスやセラミック素材に置き換えたもので、可燃性の高い有機電解液を使わない。このため、高温でも発火する可能性が低くなる（最初のほうでバッテリーの仕組みをしつこく説明したのは、これを理解するためだ）。また高温に耐えうるということは、理論的にはエネルギー密度も高くできることを意味する。
マサチューセッツ州ウーバンに拠点を置くIonic Materialsのアプローチは少し変わっている。電解液の代わりに、ポリマーやプラスティックといった物質にリチウムイオンを運ぶ役割をさせようというのだ。
IonicのCEOマイク・ジマーマンは、「正極と負極に関してはさまざまな材料が試されていますが、（電池開発において）本当に問題なのは電解液です。わたしたちはここを変えようとしています」と話す。ジマーマンはセラミックもガラスも割れやすく、また湿気にさらされるとガスが発生する可能性があるため、全固体電池の材料として理想的ではないと指摘する。
コンピュータサイエンティストでIonicに投資するビル・ジョイは、昨年8月に行われた『WIRED』US版とのインタヴューで、Ionicは低コストでつくれるアルカリ乾電池と、容量が大きく再利用も可能なリチウムイオン電池のいいとこ取りをするつもりなのだと説明している。
とはいえ、全固体電池が明日にでも実用化されるという話ではない。トヨタ自動車は昨年、大容量の全固体電池の開発に手こずっていることを認めた。4月には、日産自動車の専務執行役員で研究・先行技術開発を担当する浅見孝雄が、「現段階では（全固体電池の）開発は実質的には何も進んでいない」と発言している。
一方で、Ionicは開発中の技術の商品化にこぎ着けても自社生産は行わず、ライセンス契約する方針を示している。これは賢明な戦略だ。
仮に電池材料や、化学的および安全性の問題をクリアできたとしても、大量生産の可能な製造拠点を準備することがとてつもなく難しいというのは、電池業界では常識になっている。結局のところ、イーロン・マスクに匹敵するほどの資金がなければ、テスラのバッテリー工場であるギガファクトリーの自社版を建てるなど無理な話なのだ。RELATED
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