リチウムイオン電池は、電気化学の技術が生んだ“寵児”と言える。携帯電話やノートPCのような身の回りのガジェットから、電動船舶や火星探査用ヘリコプターといった大がかりな機械にいたるまで、ありとあらゆるものに使われている。

「コバルト不要のリチウムイオン電池、ついに実用化なるか:米研究チームが開発した新技術の中身」の写真・リンク付きの記事はこちら

現代の暮らしにおいてリチウムイオン電池がいかに重要な存在であるかは、発明者である3人の化学者に2019年のノーベル賞が贈られたことからも明らかだろう。一方でバッテリーの産業が、いつの間にか希少金属であるコバルトへの依存度を高めていたことも事実である。

コバルトは、毒性をもちながらも美しい輝きを放つ希少な鉱物だ。現時点で流通しているほぼすべてのリチウムイオン電池に、カソード(正極)側の材料として使われている。高価で重量があり、倫理に反する採掘行為や大幅な価格変動、国際的サプライチェーンの脆弱性といった諸問題とかかわりが深い鉱物でもある。

コバルトフリー電池が実用レヴェルに

多くのバッテリーメーカーがコバルトへの依存を断ち切りたいと考えているのも当然だろう。しかし、電池の安定性やエネルギー密度を高める上で、コバルトの果たす役割はあまりに大きい。実験的につくられたコバルトフリーの電池も存在するが、どれも寿命の短さや充電速度の遅さなど、性能面で大きな問題をいくつも抱えていた。

しかし、それも過去の話だ。テキサス大学の3名からなる研究チームが20年7月に発表した実験結果によると、カソードの化学組成を改めることで、コバルトをまったく使わずに電池をつくることができたという。カソード部分にニッケルを大量に使用して実験的につくった、トランプ1組ほどのサイズのパウチ型リチウムイオン電池だ。

コバルトを使った従来型の電池に比べてエネルギー密度はやや低かったが、高電圧を維持しながら動作し続け、充電速度も変わらなかった。市販の電池の標準寿命とされる1,000回のフル充放電のあとも、この実験用電池はコバルト含有電池と同等の性能を示したという。

「コバルトはリチウムイオン電池に不可欠な物質だと言う人は大勢います。コバルトを使わずに同等の性能を得ることなどできないというのです」と、テキサス大学オースティン校のテキサス材料研究所の所長で、この研究論文の主執筆者でもあるアルムガム・マンティラムは言う。「しかし、性能を損なわずに電池からコバルトを除去することは可能であるということが、わたしたちの研究によって初めて証明されました」

性能的に大きな欠点のない技術

リチウムイオン電池のカソード材全体の5分の1を占めることもあるコバルトは、ほとんどがニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)かニッケルコバルトアルミニウム酸化物(NCA)のどちらかのタイプである。コバルトには電池の安定性を高め、カソード部分の腐食を抑えて発火を防ぐ効果がある。充電速度を上げる働きももっている。

しかし、かなり高価である上に入手が難しい。それにいくつかの社会問題をはらんでいることも事実だ。

コバルトの世界産出量のほぼ3分の2は、ニッケルと銅の大規模採掘の副産物としてコンゴ民主共和国で産出されている。ところが同国には、実質的に何の監視も受けずに操業する個人業者や職人たちが大勢いる。このためこの国のコバルト鉱山では、児童労働力の搾取をはじめ数多くの人権侵害があるとされている。

マンティラムらのチームが開発した電池は、カソード部分のニッケル含有量を増やすことによってコバルトの不使用を実現した。ニッケルの量を、カソード側に使用する金属全体の89パーセントにまで増やしたのだ。

研究チームはNMCとNCAの2種類のカソード材を組み合わせ、コバルトを含まないニッケルマンガンアルミニウム酸化物(NMA)を生成した。コバルトフリーあるいは高ニッケル含有のカソードがつくられたことは過去にもあった。マンティラムによると、電池寿命の短さやエネルギー密度の低さなど、性能的に大きな欠点のない開発例は今回が初めてだという。

ミシガン大学のバッテリー研究室の技術ディレクターのグレッグ・レスは、マンティラムらが開発したカソード材に「素晴らしい可能性を感じる」という。レスによると、同じ化学構造をもつカソードには高温下でマンガンが溶け出しやすくなるなどの問題が見られるため、さらに試験を続ける必要があるものの、初期テストの結果は良好だという。「従来のコバルト含有電池に対抗しうるコバルトフリーの代替品の登場には、興奮を覚えずにいられません」と、レスは言う。

特殊な混合技術の開発が奏功

その実現に向けてマンティラムらのチームが用いたのは、原料をナノレヴェルで正確に混合する特殊技術だった。具体的には、ニッケル、マンガン、アルミニウムイオンを含む溶液をポンプで反応装置(リアクター)に送り込み、金属イオンと結合しやすい別の溶液と混ぜ合わせる。

すると、それぞれの成分が細かく混ざり合い、水酸化リチウムの働きで焼成された粉末状の金属水酸化物ができる。この粉末をカソード材として使用するのだ。

工程全体でポンプの速度と室温を厳密に管理できなければ、正確な組成をもつカソード材はつくれない。「カソードの組成を決めるには、化学に関する十分な基礎知識が必要でした」とマンティラムは言う。「この工程の管理法を編み出したことで、原子レヴェルの混合作業が可能になったのです」

原料の混合比率が決まると、マンティラムらは新たな組成のカソードを、グラファイト(黒鉛)を材料とする従来型のアノード(負極)と一緒に実験用のパウチ型リチウムイオン電池に収める作業に移った。テストを重ねるうち、さまざまな充電率で数百回の充電を繰り返しても、その電池はコバルトを使用した市販のリチウムイオン電池に匹敵する性能を発揮することが確認できた。

コバルトを含まないカソードはエネルギー密度がわずかに低いことから、リチウムイオンの吸蔵量で劣る可能性はある。それでも、この差は化学組成をさらに改良することで埋められると、マンティラムは確信している。

加速するコバルトの不使用

マンティラムはいま、完成した電池を研究室から現実の世界に送り出すことに力を注いでいる。カソードの商品化に向け、先ごろTexPowerという会社も設立した。

自身の会社をもつことで、従来の電池製造工程にコバルトフリーのカソードを組み込みやすくなるはずだと、マンティラムは言う。このカソードを備えた電池の使い道は、家電製品、電気自動車(EV)、エネルギーグリッドの蓄電装置など、多岐にわたるだろう。

マンティラムは自身の開発したコバルトフリーのカソードを、数年以内に市場に出したいと考えている。だが、そう考える者はほかにもいる。

スタートアップのSparkzは、このほど米エネルギー省が管轄するオークリッジ国立研究所からライセンスを取得し、コバルトを使用しないカソード製造技術の商業化に乗り出した。パナソニックなどの有名企業も、先を争うように電池のコバルト含有量の削減に取り組んでいる。

またテスラのイーロン・マスクは、何年も前から自社のクルマにコバルトフリーのバッテリーを使おうとしている。多くの業界アナリストが予想していることだが、20年9月に同社が開催する「Battery Day」のイヴェントで、マスクは低コバルトのリチウムイオンバッテリーの搭載を発表し、大躍進を宣言するだろう。

コバルトの需要はなくならない?

それでもこの先しばらくは、コバルト含有の電池が消えることはないだろうと、デイヴィッド・ウェイトは指摘する。彼はコバルト生産者を代表する非営利業界団体「Cobalt Institute」の元代表で、現在は同団体の顧問を務めている。

コバルトは、リチウムイオン電池に安定性といくつもの性能上の利点を与えている。それとは別に、メーカー各社は多くの年月と数十億ドルの資金を費やして自社の電池を完成させてきた。つまり、新規参入を狙う企業はいずれも、業界にはびこる現状維持をよしとする風潮と戦わなければならないということだ。

「商業的に見て、化学業界がコバルトを必要としなくなる日が本当に来るまで、長い目で将来を考えなければなりません」と、ウェイトは言う。「一足飛びに最新技術に移行することはできません。コバルトはこれからも当分の間、電池の材料として使われるでしょう」

世界銀行は最新の報告書のなかで、高まり続けるリチウムイオン電池の需要に応えるには、今後数十年でコバルトの産出量を500パーセント増やす必要があると予測している。この需要をコンゴ民主共和国だけで満たすことはできないだろう。

ウェイトによると、コバルト採掘のヴェンチャー事業が、すでに世界中でいくつか進行しているという。巨大なコバルト鉱床が海底に存在することがわかっているが、深海での採掘行為には依然として異論が多い。こうした供給の問題を脇に置いてもなお、コバルトフリーのカソードは、安価で毒性の低いエシカルなリチウムイオン電池の実現という可能性を秘めているのだ。