50年後: ありえないリチウムの誕生

チャールズ・マレー | 2022 年 11 月 4 日

1972 年の秋、スタンリーウィッティンガムは世界を変える電池のコンセプトを思いつくのにわずか 3 か月かかりました。オックスフォード大学で教育を受けた 31 歳の化学者ウィッティンガム氏は、技術革命が目前に迫っていると考えていました。

50 年後、彼のバッテリー誕生の物語はありそうもないように思えます。ウィッティンガムは若く、スタンフォード大学の博士研究員プログラムを卒業したばかりで、ニュージャージー州のエクソン社に勤めていました。皮肉なことに、彼のバッテリーコンセプトはエクソンに利益をもたらすことはありませんでした。その初期のアプリケーションにはビデオカメラ、ラップトップコンピューター、携帯電話が含まれますが、いずれもエクソンとのリモート接続はありませんでした。その後、彼のコンセプトは世界中の電気自動車に動力を供給することになり、エクソンの石油の直接の競合相手として機能することになる。今にして思えば、エクソン社がそのような研究を支援することは不可能だったようだ。しかし、そうなりました。

エクソンにおけるウィッティンガムの仕事は急速に進んだ。彼は 1972 年 9 月に同社に入社し、数週間以内にスタンフォード大学で学んだコンセプトに取り組み始めました。この概念には、特定の金属の原子格子にイオンを挿入し、それらのイオンを抽出することが含まれていました。それはインターカレーション（「イン・テュルク・ア・レイ・シュン」と発音）と呼ばれていました。「私はこう言った、『おい、ここにエネルギーを蓄えることができる』と」と彼は著書『Long Hard Road: The Lithium-Ion Battery and the Electric Car』の中で回想している。「そこで私たちは電気化学の研究に取り組み、次に電池の研究に取り組みました。」

彼は、両方の電極にインターカレーション材料を使用して電池を構築することにしました。まず、彼はさまざまな層状化合物を検討し、バッテリーの正極にチタンを選択しました。その後、科学の歴史を変える決定が下されました。陽極として、彼は当初カリウムを検討しましたが、それは危険すぎると判断しました。彼はすぐに、柔らかく銀色の軽量金属であるリチウムに落ち着きました。最終的には、電池のアノードにリチウムを使用し、次に電解液にリチウムを使用することになります。結果は驚くべきものでした。当時の最良のバッテリーは 1.3 ボルトで動作していましたが、この新しいバッテリーは 2.4 ボルトでした。そして、インターカレーションの科学のおかげで、充電可能になりました。ウィッティンガムの二硫化リチウムチタン電池の実用バージョンは、1972 年 12 月までに完成しました。

1か月後、ウィッティンガムはエクソン社の経営者たちからニューヨーク市のオフィスに呼び出された。「私はエクソン取締役会の小委員会と話し、自分が何をしているのか説明するよう頼まれた」とウィッティンガム氏は回想した。「研究者の誰かが、何が起こっているのかを彼らに話していました」と彼はLong Hard Roadで語った。「そこで私はそこに行って説明しました。5 分、長くても 10 分でした。そして 1 週間以内に彼らは、はい、これに投資したいと決めました。」

エクソン社が石油と競合する技術に投資すべきだったというのは、今では信じられないことのように思える。しかし、1972 年の世界は違っていました。当時の科学的コンセンサスは、地球では 50 年以内に石油が枯渇するだろうと考えていました。科学者らによれば、2000年までに石油の入手可能量は深刻な減少に陥るだろう。さらに、企業研究の文化も 1972 年とは異なっていました。エクソンをはじめとする大企業は、基礎研究、つまり科学のための科学という概念を深く信じていました。科学論文と特許が目標でした。もし画期的な進歩が見られた場合、会社はそこから利益を得る方法を見つけ出すだろうと考えられていました。

ウィッティンガムの場合も同様だった。彼は前に進むよう励まされました。彼はそうし、エクソンは 1973 年にベルギーで特許を申請しました。1973 年に米国で石油危機が発生したとき、エクソンの危機感は高まりました。 1975年までに、同社の弁護士はウィッティンガムの電池に関する米国特許を相次いで申請していた。

確かに、ウィッティンガムのバッテリーはリチウムイオンとは呼ばれておらず、今日の製品と同じ化学反応を使用していませんでした。しかし、それは同じ基本的なメカニズム、つまりホスト電極に挿入されたリチウムイオンによって動作しました。この電池の小さなボタン電池バージョンが製造され、スイスの企業エボーシュSAが販売する「永久ソーラー腕時計」に採用された。そこでは、それは完璧に機能しました。さらに、この新しいバッテリーを見て、電気自動車の潜在的な将来について考えずにいることはほとんど不可能でした。

それでも、エクソンは二硫化リチウムチタン電池への関心を徐々に失った。石油危機は去り、腕時計の用途は重要ではないとみなされ、企業の優先事項は変わりました。最終的に、同社の経営者はこのテクノロジーを売却することを決定しました。この電池は、アジア、ヨーロッパ、米国の 3 社にライセンス供与されたが、「あまり議論はされなかった」とウィッティンガム氏は数年後に語った。「ある日、彼らは『もうこれはやめよう』と言いました。」

しかし、リチウム二次電池は切れていなかった。 1980年、イギリスのオックスフォード大学で働く58歳のアメリカ人ジョン・グッドイナフは、新しい正極を用いてウィッティンガムの電池を改良した。グッドイナフ社の陰極はコバルト酸リチウムと呼ばれるもので、驚異的な 4 ボルトを供給しました。バッテリーはさらに改良され、よりエネルギーがありながらも充電可能になりました。商業市場ではこれに匹敵するものはありませんでした。

ジョン・グッドイナフ氏は、コバルト酸リチウム電池の開発により、2019年にノーベル化学賞を共同受賞した。 97歳のグッドイナフ氏は史上最高齢のノーベル賞受賞者となった。彼は現在、テキサス大学で機械、材料科学、電気工学の教授として働いています。

しかし、グッドイナフ氏が英国、米国、欧州本土の電池メーカーに問い合わせたところ、関心のある企業は見つからなかった。どうやら世界は充電式リチウム電池を望んでいなかったようだ。彼の雇用主であるオックスフォード大学でさえ、特許料の支払いを拒否した。特許の保護を得るには、グッドイナフ氏はイギリスのハーウェル近郊にある政府の研究所まで赴き、発明に対する権利に署名する必要がありました。ハーウェル研究所はこの技術の特許を取得しました。その後、特許は凍結されました。

しかし数年後、ハーウェル研究所は日本のソニー株式会社から予期せぬ電話を受け、8年間埃をかぶっていた特許に関するライセンス契約について話し合ってほしいとのことでした。その電話には研究室の全員が驚きました。当初、研究室の科学者たちは、どの特許が関心を引き起こしたのか想像できませんでした。彼らはすぐに、ソニーが「高速イオン伝導体を備えた電気化学セル」というタイトルの古い特許を引用していることに気づきました。それはジョン・グッドイナフの特許でした。

ソニーのエンジニアは、ハンディカムと呼ばれる新しいビデオカメラ用のバッテリーを製造する計画を立てていたため、この特許を望んでいた。彼らは、充電可能なリチウム電池を使用することで、ハンディカムは軽量化とより長い稼働時間を実現できると推論しました。彼らの計画は、グッドイナフの酸化コバルト陰極を使用し、それを日本の旭化成が開発した石油コークス陽極と組み合わせることでした。

ついに、充電可能なリチウム電池が登場しました。ソニーはこれをリチウムイオン電池と名付け、ハンディカムに搭載し、1991 年から市場に提供しました。すぐに、この電池はラップトップコンピューターや携帯電話で使用されるようになりました。 1998年、日産自動車はアルトラと呼ばれる限定版電気自動車にリチウムイオンを搭載し、より大きな計画を立て始めた。他の自動車メーカーもこれに続き、リチウムイオン電池は年間300億ドルの成長ビジネスとなった。

ウィッティンガムもグッドイナフも自分たちの発明でお金を稼いだわけではありません。グッドイナフ氏は 1980 年にコバルト酸リチウム化学の権利を放棄し、個人的に利益を得ることが不可能になりました。ウィッティンガムの二硫化リチウムチタンはエボーシュ腕時計にのみ使用され、他の用途には決して使用されませんでした。

2019年、両科学者は日本の旭化成の石油コークス陽極を共同開発した吉野彰氏とともにノーベル化学賞の共同受賞者となった。その時までに、ウィッティンガムの発明から 47 年が経過し、グッドイナフの開発から 39 年が経過していました。

リチウムイオン電池用の石油コークス負極を開発した吉野彰氏は、2019年のノーベル化学賞を共同受賞した。

ウィッティンガム氏の机の上には、二硫化チタンリチウム電池で動作する太陽時計があります。彼は 1977 年にこの時計を作りました。それは今でも動作しています。彼の時計は、その特定の化学反応を利用する唯一残っているアプリケーションです。

現在、彼は、1970 年代に自分の化学反応が商業的に大々的に話題にならなかった理由が理解できたと言います。「（電池の）市場は十分に大きくならないだろう」と同氏はLong Hard Roadで語った。「私たちの発明は時期尚早でした。」

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