研究者たちは何十年もの間、高性能ながら可燃性のリチウム金属を電池に安全に使う方法に苦慮してきた。いま、リチウムイオン電池の父と呼ばれる94歳のジョン・グッドイナフが、画期的な突破口となる解決策を主張している。
実証されれば、この発明によって電気自動車は車両価格で従来車と競えるようになる可能性がある。この意外な解決策は、新たな論文でグッドイナフと3人の共著者が発表し、一流の科学・技術系出版物から大きな注目を集めている。グッドイナフは、この解決策によって現行の標準的なリチウムイオン電池の5～10倍のエネルギーを蓄えられる可能性があると見積もっている。グーグルのエリック・シュミットがツイートするほどの話題だ。
しかし、他の一流の電池研究者たちは、グッドイナフの主張に懐疑的で、困惑さえしている。彼らによれば、発明が説明どおりに機能するには、永久機関は不可能だとする熱力学の法則を覆さなければならないだろう。この法則は1世紀半以上にわたり、電池の基本原理となっている。
グッドイナフの長年のキャリアは、現代の電池産業を形作ってきた。研究者たちは、彼の測定値は正確だと考えている。しかし、彼自身の研究グループ以外で、新しい構想を理解している人はいないようだ。電池研究者たちは論文を公然と批判するのをためらっているが、あと一歩のところまで踏み込む人もいる。「グッドイナフ以外の誰かがこれを発表していたら、私は……まあ、丁寧な言葉を見つけるのが難しいですね」と、プリンストン大学教授のダニエル・スタインガートはQuartzに語った。
グッドイナフはメールに返信しなかった。しかし、声明では、工学分野の教授職を務めるテキサス大学を通じて、こう述べた。「私たちは、この発見が今日の電池に内在する多くの問題を解決すると考えています。コスト、安全性、エネルギー密度、充放電速度、サイクル寿命は、電池駆動車をより広く普及させるうえで重要です」。また、論文の筆頭著者であるヘレナ・ブラガは、メールでのやりとりの中で、チームの主張は妥当だと強調した。
電池の世界で圧倒的な存在感を放つグッドイナフ
約40年にわたり、グッドイナフは先進電池の世界を席巻してきた。自動車や電力網で使う電気を安価に蓄えることを可能にする画期的な進歩を、ついに実現できる人物がいるとすれば、それは彼だろう。グッドイナフは、あなたがいまこの記事を読んでいる端末にほぼ確実に使われている電池の核心部品を発明した。それはリチウムコバルト酸化物の正極で、1980年に発明され、1991年にソニーが販売を始めた。その後も彼の研究室は次々と画期的な発見を生み出し、その天才ぶりを裏付けてきた。
それでも、電池にはまだ課題が残る。電池技術の不備は、電気自動車の本格的な量産を妨げる最大の要因かもしれない。電池は高価で、充電に時間がかかり、走行距離も十分ではない。
そのため、新たな論文が注目を集めている。グッドイナフと研究チームが『Energy and Environmental Science』誌に発表したものだ。2月28日付のテキサス大学の発表によると、数十年来の大きな目標だった、純リチウムまたはナトリウム金属でできた電極、つまり負極を組み込む方法を見いだしたという。鍵となるのは、電解質としてガラスを使うことだ。電解質は電池の2つの電極をつなぎ、イオンの移動を促して電気を生み出す物質である。
グッドイナフによると、新しい電池セルは、エネルギーの蓄積量を示すエネルギー密度を、あるケースで10倍、別のケースで3倍に高めた。ある実験では、現在のリチウムイオン電池で最高の密度である1キログラム当たり8,500ワット時に対し、30倍の向上を見込んでいるという。さらに、希少な材料ではなく、安価なナトリウムと硫黄を使って実現した。つまり、これまでに報告された多くの電池の画期的進歩とは異なり、この技術は一般的な価格帯の自動車にも実際に使える可能性がある。
それでも、この論文は電池研究者たちを困惑させている
電池研究者たちを困惑させているのは、論文に書かれていないことだ。グッドイナフの新発明は、そもそもどうやってエネルギーを蓄えているのか。既知の物理法則によれば、エネルギーを取り出すには、向かい合う2つの電極で異なる材料が異なる電気化学反応を起こす必要がある。その違いによって電圧が生じ、エネルギーを蓄えられる。
しかし、グッドイナフの電池では両側に純粋な金属リチウムまたはナトリウムが使われている。したがって電圧はゼロとなり、エネルギーは生み出されないはずだと、電池研究者たちはQuartzに語った。
グッドイナフは、現在のリチウムイオン電池を何倍も上回るエネルギー密度を報告している。電極反応によるものでないとすれば、エネルギーはどこから来るのか。その点は論文で説明されていない。
説明されていない物理現象が実在するなら、一度充電すれば、その後は電気を送り出し続けるために追加のエネルギーを必要としない電池ができることになり、熱力学の法則に反する。「技術的には、彼は永久機関を作ったことになります」と、ペンシルベニア州ピッツバーグにあるカーネギーメロン大学の教授、ベンカット・ヴィスワナサンは述べた。
「ちょっと常温核融合のようです。信じがたい実験がここにある」と、テスラと契約を結ぶカナダの研究室を率いる一流研究者で、ダルハウジー大学のジェフ・ダーンは語った。「正しい可能性も、わずかながらあるかもしれません」。
プリンストン大学教授のスタインガートは、長文の論考をMediumに発表し、論文について論じた（以下の注記を参照）。彼は、グッドイナフが明らかにしていないエネルギーを「異常容量」と呼ぶ研究者の一人だ。スタインガートとダーンはともに、酸素がセル内に漏れ込み、意図せず「リチウム空気電池」となってエネルギーの急増を説明できるのではないかと考えた。リチウム空気電池は、電池研究者にとってもう一つの究極の目標であり、金属リチウム負極以上に実現が難しい。数サイクルを超えて持続するものを作った人は、これまで誰もいない。
論文の筆頭著者ブラガは、リチウム空気電池という説明を退け、構想は確かなものだと主張する。「もしこれがリチウム空気電池なら、とても優れたリチウム空気電池です」と彼女は述べ、実験は数百サイクルにわたって行われ、どの充電式リチウムイオン電池よりもはるかに長く持続したと指摘した。ブラガが言及している図は次のとおり。
電池の進歩の歴史、とりわけグッドイナフの歩みは、驚きに満ちている。重要なマンガン酸化物正極とリン酸鉄正極の開発という少なくとも2つの事例では、グッドイナフは当初、ポスドク研究員たちがその論文の主題を提案した際に信じなかったが、最終的に誤りが証明された。
メールでのやりとりで、スタインガートはこう述べた。「グッドイナフたちが、セル内にあると考えていたものを前提に、自分たちが測定したと主張するものを実際に測定したことに、私は疑いを持っていません。問題は、システムがなぜそのように振る舞ったのかであり、その理由の説明には多くの疑問が残ります」。
