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技術機関誌 SI NEWS日立ハイテク

物質創成とデバイス開発―固体電池について

Creation of New Materials and Establishment of Innovative Devices—Solid State Batteries

東京工業大学 科学技術創成研究院 全固体電池研究センター長・特命教授 菅野 了次 理学博士

東京工業大学
科学技術創成研究院
全固体電池研究センター長・特命教授
菅野 了次理学博士

電池が話題になっている。ボルタの発明以来、200年にわたる電池の歴史の中で様々な電池が開発され、実用に用いられ、我々の社会を変革してきた。鉛蓄電池やマンガン乾電池など歴史のある電池に加え、1991年にはリチウムイオン電池が登場して、ビデオカメラから、携帯電話、スマホ、さらには電気自動車の電源として大活躍している。リチウムイオン電池が登場してすでに30年がたち、ようやく自動車への道筋が明らかになったことは、蓄電池というデバイスが、たいへんなスローペースで開発が進んでいることを物語っている。

鉛蓄電池などの150年以上の歴史があるデバイスが社会を支えてきたように、リチウムイオン電池もこれからの我々の社会を支える蓄電池として活躍することが期待されている。ただ、その特性に限界も見え始めたこのデバイスが、今後50年から100年を支え続けるものであるかどうか。そうではない、と考えることが次世代蓄電池開発の原動力となっている。筆者の所属する全固体電池研究センターでは、次世代電池の中でも、特に全固体電池に着目した研究開発を行っている。リチウムイオン電池で用いられている電解液を固体に置き換えるのが固体電池である。その実現の鍵を握るのが電解質で、固体の中を高速でイオンが拡散する物質である。幸いにも2011年に、リチウム、リン、硫黄、ゲルマニウムの組み合わせで、室温でリチウムイオンが固体中を液体中よりも速く移動する新しい物質(Li10GeP2S12)を見つけることができ(図1)、そのような物質を固体電解質に用いた全固体電池は、液系電解質を用いたリチウムイオン電池の2倍以上の高い出力特性や−30℃から100℃以上の幅広い温度領域での蓄電性能を示すことができた。その後、様々な機関で固体電池の実用化に向けた試みが進展している。

図1 超イオン伝導体LGPSの結晶構造
図1 超イオン伝導体LGPSの結晶構造
新しく見つかった結晶構造であり、リチウムのイオン伝導に最適な構造である。一次元と二次元の伝導経路中に、目一杯リチウムイオンが詰まって、連続して分布している。このような構造が、なぜ現実に出現するのか、非常に不思議である。

さて、蓄電池は正極や負極、電解質などの異なった役割を持つ材料の集合体である。材料の特性の善し悪しが最終的な蓄電デバイスの性能と直結することは確かであるが、物質の性質と、材料の特性、材料を組み合わせた電池の性能の間には計り知れないギャップが存在する。そのギャップの話をしたい。新しい性質を持つ新規な物質の創成から始まり、その性質を材料特性として生かすことのできる材料の組み合わせを見いだし、基本的な性能を持つデバイスができれば、実用化のための技術開発に進むと一般に言われているが、ここでは、物質創成と実用デバイス創成に触れたい。

新物質創成は、文字通り新しい物質を創り出すことである。いつの時代でも、新しい物質の新しい性質は、世の中を変える破壊力がある。当然ながら何も無いところから物質は現れない。無機物質の合成には周期表という道しるべが存在し、これまで学問として蓄積されてきた知識がそこには詰まっている。ここから如何にして必要な情報を取り出し、組み合わせ、目的とする物質を創り出すかが、われわれ合成化学者の腕の見せ所になる。これまでの知識と経験に基づき、元素を組み合わせて、必要と思われる反応条件で合成しても、うまく行く場合もあるし、行かない場合もあり、試行錯誤を重ねることが日常の研究生活である。この試行錯誤の過程では、狙った物質が本当に存在するかどうか、しないのであれば、どのあたりの組成や合成条件で存在するのか、探りながら研究を進めることになる。いわば、物質と(もしくはその物質を存在せしめている何者か)と会話をすることに他ならない。ここには、ごまかしや妥協は一切入る余地がない。自然との会話を楽しみながら、地道に着実に、長期にわたる研究を進めることができるかどうかが、成功するかどうかの分かれ道でもある。新たな物質が生み出され、その物質が革新的な材料へと変貌するには、焦らずに、新しいものを生み出したいという研究者の強い信念のようなものが必要である。物質を創り出すためのツールは、計算機の進歩にともない今後飛躍的に進歩して行くことは間違いないが、そのツールを使い、物質を創成するための道筋は変わることは無いであろう。

実用デバイス創成。新しい性質を持つ新物質が生み出されると、その性質を利用してデバイス化を視野に入れた材料研究へ、その先のデバイス化に繋がる。ここでも、新しいデバイスが創出されるには、デバイス化に賭ける技術者の信念・執念が重要である。小さなデバイスを創造して実用デバイスに展開し、それが社会に受け入れられるまでになるには、既存のデバイスをすでに受け入れた社会との軋轢を乗り越えなければならない。その進歩が大きければ大きいほど、強烈な軋轢になる(破壊的創造)。これに耐える技術開発者の信念が、その新しいデバイスが社会に受け入れられるかどうかの鍵を握る。デバイスの特性を最大限に生かすためには、ありとあらゆる既存の知識(科学や技術の領域のみならず、社会の要望を組み入れるための様々な領域の知恵)を総動員した開発過程が必要となる。多くの技術者と共に高度に技術開発をマネジメントする必要があり、国の施策とも密接に関連させるなど、いわば人を相手にした技術開発環境を整えることも必須である。これも、その実現に賭ける夢を持った多くの人の熱意の集合体ができて初めて成し遂げることができる。

自然を相手にする、いわば、神と対峙する研究と、思いを同じくした様々な人を巻き込んで進める技術開発とが、うまくかみ合ってはじめて、社会を変革するような新たな技術が世に出る。固体電池もそのようなデバイスになってほしいものである。

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