世界が驚く革命的な電池を開発するためには？

20世紀は物理の時代、では21世紀は？

最近、自然エネルギーや再生エネルギーが注目を集めています。これらを活用するために最も重要になるものが電池です。太陽電池やリチウム電池は21世紀の人類にとって、極めて重要な技術です。こうした電池は電気工学ではなく、材料化学で考える必要があります。効率のよい電池開発には分子レベル、原子レベルでの精密な設計が求められるからです。20世紀が物理の時代だったとすれば、21世紀は化学の時代です。

リチウムイオンの動きが充電池の性能を決める

充電池の代表がリチウムイオン電池です。これは電極にリチウムイオンが出入りすることで充電、放電を行います。そのため電極にはリチウムイオンが入る場所を作る必要があります。しかしリチウムイオンの大きさは、0.1ナノメートル前後と極めて微細なので、小さなイオンの動きを正確にコントロールし、電極の結晶構造のすき間に収まる設計が求められているのです。こうした原理は同じですが、製品化されたリチウム電池の性能は、メーカーごとに異なります。実はメーカーは片っぱしから実験してみて、ある時点での最もよいやり方を採用しており、開発は決して理論的に行われているわけではないのが実状です。つまり化学反応を思い通りに制御するのは極めて難しいということなのです。

より革新的な電池開発をめざして

現在、電極に使われている素材はコバルト酸リチウムです。ところがコバルトはレアメタルであるため、将来の供給に不安があります。そこでコバルトを使わないリチウム電池の開発が研究課題となっています。また、今はリチウムイオン、つまり陽イオンが電極に出入りすることで充電、放電をしていますが、陽イオンと同時に陰イオンも活用できれば、より効率が高まります。そのために使える素材を見つけることも重要な課題です。こうした課題がクリアされたとき、大出力、大容量、しかも安全と、三拍子そろった画期的な充電池が開発される可能性が高まります。

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金沢工業大学バイオ・化学部環境・応用化学科 ※2025年名称変更予定教授露本伊佐男先生

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応用化学、インテリジェント材料学

先生が目指すSDGs

メッセージ

身の回りには、化学の技術が利用されているものがたくさんあります。例えば最近話題の太陽電池やリチウムイオン電池なども、基盤となっている技術は化学です。新しい電池の研究をしたい人は、ぜひ化学系の学問分野を志望してください。一つひとつ正しい順序で学んでいくと、必ず理解できるのが化学のよいところです。最初は不可能に思えても、例えばレンガをコツコツ積んでいけば大きな建築物を造ることができるのと同じように、学問も一つずつ積み重ねていけば、必ず大成します。ぜひ、がんばってください。

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金沢工業大学では、講義等で「知識を取り込み」、それを仲間との実験・演習の中で「思考・推論」し、組み替え結びつけることで「新たな知識を創造」し、その成果を「発表・表現・伝達」する独自の学習プロセスを全科目で導入しています。さらに高度な研究環境の中で産学協同による教育研究を実践するとともに、夢考房など知識の応用力を高める多彩なフィールドを実現することで、獲得した知識を知恵（応用力）に転換できる「自ら考え行動する技術者」を育成しています。