世界には人の数より多くの携帯電話が存在する。そのほぼすべてが、充電式リチウムイオン電池で駆動している。この電池は、過去数十年にわたるポータブル電子機器の革命を可能にした最も重要な構成要素である。これらの機器は、特に重くなることなく、少なくとも数時間持続するだけの十分な電力がなければ、利用者にとって魅力的なものにはならなかっただろう。
リチウムイオン電池は、電気自動車やスマートグリッド型のエネルギー貯蔵システムなどのより大規模な用途にも有用である。さらに、研究者たちの材料科学における革新は、リチウムイオン電池の改良を目指しており、さらに高性能な電池の実現への道を切り開いている。すでに、発火や爆発の心配がない高容量電池への需要が生まれつつある。また多くの人々は、数分、あるいは数秒で充電でき、しかもデバイスを数日間稼働させるのに十分なエネルギーを蓄えられる、より小型で軽量な電池を夢見てきた。
しかし、私のような研究者は、さらに野心的な構想を描いている。自動車や系統用蓄電システムは、何年、あるいは何十年にもわたって数万回に及ぶ放電と充電を繰り返せるようになれば、さらに優れたものになるだろう。保守作業員や利用者は、損傷したり、最高性能を発揮できなくなったりした場合に自ら状態を監視して警告を発し、さらには自己修復できる電池を切望するだろう。また、製品の構造に組み込まれ、スマートフォン、自動車、建物の形状を形づくると同時に、その機能に電力を供給する多目的電池を夢見ることも決して過大ではないだろう。
私たちの研究と他の研究者の研究が、科学者や技術者が個々の原子のスケールで物質を制御し、取り扱う能力をさらに高めていけば、こうしたことはすべて実現可能になるかもしれない。
新興材料
エネルギー貯蔵の進歩は、主として、既存の電池材料の性能限界を押し広げ、まったく新しい電池の構造や組成を開発することを通じて、材料科学の継続的な発展に依存することになるだろう。
電池業界は、リチウムイオン電池のコスト削減にすでに取り組んでおり、正極（カソード）から高価なコバルトを除去することもその一環である。これにより、これらの電池に伴う人的コストも削減されるだろう。世界最大のコバルト供給国であるコンゴの多くの鉱山では、子どもたちに過酷な手作業をさせているからである。
研究者たちは、コバルトを含む材料を、主にニッケルから作られた正極に置き換える方法を模索している。やがては、ニッケルをマンガンに置き換えることも可能になるかもしれない。これらの金属はいずれも、従来の材料より安価で、より豊富に存在し、取り扱いも安全である。しかし、電池寿命を縮める化学的特性を持つという代償もある。
研究者たちは、また、2つの電極の間を行き来するリチウムイオンを置き換えることも検討している。ナトリウム、マグネシウム、亜鉛、アルミニウムをベースとするものなど、より安価で、場合によってはより安全なイオンや電解質を用いる試みである。
私の研究グループでは、有用な電子特性を持つ物質の、極めて薄いシートという本質を持つ二次元材料の可能性を研究している。グラフェンはおそらくこの中で最もよく知られた材料であり、原子1個分の厚さしかない炭素のシートである。私たちは、さまざまな二次元材料の層を積み重ね、その後積層体に水を浸透させる、あるいは他の導電性液体を用いることが、きわめて迅速に充電できる電池の重要な構成要素になり得るかどうかを検証したいと考えている。
電池の内部を観察する
電池技術革新の領域を広げているのは、新素材だけではない。新しい装置や手法によって、研究者は電池内部で何が起きているのかを、かつてよりはるかに容易に観察できるようになっている。
従来、研究者は電池を特定の充放電プロセスや一定のサイクル数で稼働させた後、電池から材料を取り出し、事後的に分析していた。その後初めて、研究者はプロセス中にどのような化学変化が起きたのかを把握し、電池が実際にどのように機能し、何がその性能に影響を与えたのかを推測することができた。
しかし現在、研究者は電池材料がエネルギー貯蔵プロセスを経ている様子をリアルタイムで観察し、その原子構造や組成まで分析することができる。私たちは、シンクロトロンと呼ばれる粒子加速器で利用可能なX線技術などの高度な分光技術に加え、電子顕微鏡や走査型プローブも用いることができる。これにより、電池内でイオンの移動や物理的構造の変化を観察することが可能である。これは、材料へのエネルギーの貯蔵および材料からの放出に伴って起こる現象である。
こうした手法により、私のような研究者は新たな電池の構造や材料を構想し、それを作製して、その性能の良否を確認できる。このようにして、私たちは電池材料の革命を前進させ続けることができるだろう。
