リチウムイオン電池は電気化学の神童です。携帯電話やノートパソコンといった身近な機器から、火星の電気船やヘリコプターといったより高度な用途まで、あらゆるものに利用されています。リチウムイオン電池は現代生活に非常に重要であり、昨年、これを発明した3人の化学者にノーベル賞をもたらしました。しかし、いつの間にか、電池業界はコバルトへの依存を深めてしまいました。
コバルトは希少で有毒な光沢のある鉱物で、現在使用されているほぼすべてのリチウムイオン電池の負極（カソード）に使用されています。高価で重く、非倫理的な採掘方法、激しい価格変動、そして不安定なグローバルサプライチェーンと結びついています。多くの電池メーカーがコバルトの使用をやめたいと考えるのも不思議ではありません。しかし、この素材は電池の安定化とエネルギー密度の向上に重要な役割を果たしています。コバルトフリーの電池は実験的に開発されていますが、どれも寿命が短い、充電速度が遅いなど、大きな性能上の問題を抱えていました。これまでは。
7月、テキサス大学の3人の研究者チームが、コバルトを完全に排除した新しい正極化学を用いた試験結果を報告しました。彼らは、トランプ一組ほどの大きさの小型実験用リチウムイオンパウチセルに、このニッケルを豊富に含む正極を使用しました。この電池は一般的なコバルト電池よりもエネルギー密度がわずかに低かったものの、より高い電圧で動作し、同等の充電レートを維持しました。市販電池の一般的な寿命である1,000回のフル充放電サイクル後でも、この実験用セルはコバルト正極を使用した同等のセルと同等の性能を示しました。
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「コバルトは不可欠であり、それを除去すると同等の性能は得られないと主張する人が大勢います」と、テキサス大学オースティン校テキサス材料研究所所長で、本論文の筆頭著者であるアルムガム・マンティラム氏は述べています。「性能を損なうことなくコバルトを除去することが可能であることを実証したのは、私たちが初めてです。」
コバルトはリチウムイオン正極材料の5分の1を占め、通常NMC（ニッケルマンガンコバルト酸化物）またはNCA（ニッケルコバルトアルミニウム酸化物）の2種類がある。これらの電池に含まれるコバルトには安定効果があり、電池の発火につながる正極腐食を防ぐ。電池の充電速度も向上させるが、原材料としてかなり高価で入手が困難。また、社会問題も抱えている。世界のコバルトの約3分の2は、コンゴ民主共和国で大規模ニッケルおよび銅鉱山の副産物として採掘されている。しかし、コンゴ民主共和国には、実質的に何の監視もなく操業している独立採掘者や職人採掘者も多数存在する。そのため、コンゴのコバルト鉱山では、児童労働の使用を含む多くの人権侵害が発生している。
マンティラム氏らが開発した正極は、ニッケル含有量を増やすことでコバルトの使用を回避しており、正極中の金属の89%を重量比でニッケルが占めています。彼らのセルは、NMC正極とNCA正極の成分を組み合わせ、コバルトを含まないNMA（ニッケルマンガンアルミニウム酸化物）正極を実現しています。コバルトフリーまたは高ニッケル正極を開発したのは同チームが初めてではありませんが、マンティラム氏によると、短いバッテリー寿命や低いエネルギー密度といった大きな性能上の欠点を伴わない正極は初めてとのことです。
これらの粉末サンプルはコバルトフリーのカソードとなるように加工される。
テキサス大学提供ミシガン大学バッテリー研究所のテクニカルディレクター、グレッグ・レス氏は、マンティラムの正極材料は「大きな可能性を秘めている」と述べている。マンガンが高温で溶解する傾向など、他の類似の正極材料に見られる問題に対処するために、まだ多くの試験が必要だとレス氏は述べているが、このバッテリーの初期試験の結果は有望だとしている。「コバルト含有電極に匹敵するコバルトフリーの代替材料が登場したことは、非常に喜ばしいことです」とレス氏は語る。
これを実現するために、マンティラム氏と彼のチームは特殊な技術を用いて、ナノスケールで成分を完璧に混合しました。具体的には、ニッケル、マンガン、アルミニウムイオンを含む溶液を反応器に送り込み、そこで金属イオンと結合する別の溶液と混合します。その結果、金属水酸化物の微細混合粉末が得られ、これを水酸化リチウムと焼成することで、正極材料が作られます。得られる正極材料が適切な構造と組成を持つようにするには、プロセス全体を通してポンプ速度と温度を正確に制御する必要があります。「正極の組成を設計するには、基礎化学に関する深い知識が必要でした」とマンティラム氏は言います。「そして、原子スケールでの混合を可能にするプロセス制御方法を発見しました。」
マンティラム氏とチームはこれらの要素を混合し、従来のグラファイトアノードと共に試作リチウムイオンパウチセルにカソードを組み込んだ。試験の結果、様々な充電レートと数百回の充電サイクルにおいて、コバルトカソードを用いた市販のリチウムイオン電池と同等の性能が得られることが分かった。コバルトフリーカソードはエネルギー密度がわずかに低く、つまりリチウムイオンの貯蔵量が少ないという欠点があったが、マンティラム氏は化学組成をさらに改良することでこの差を埋められると考えている。
彼は現在、この電池を研究室から現実世界へと持ち出すことに注力している。最近、この正極を商品化するためにTexPower社を設立した彼は、この正極は既存の電池製造プロセスに容易に統合できるはずだと述べている。この正極は、民生用電子機器、電気自動車、電力網の蓄電など、幅広い用途の電池に利用できる可能性がある。
マンティラム氏は、コバルトフリー正極が数年以内に市場に出ることを期待している。そして、そう願っているのは彼だけではない。スタートアップ企業Sparkzは最近、米国エネルギー省オークリッジ国立研究所からコバルトフリー正極のライセンスを取得し、この技術を商業化することに成功した。パナソニックのような大手企業も、バッテリーのコバルト含有量削減に競い合っている。イーロン・マスク氏は長年、テスラにコバルトフリーバッテリーを搭載することを望んでおり、多くの業界アナリストは、来月のテスラの「バッテリーデー」イベントで、マスク氏が低コバルトリチウムイオンセルにおける画期的な成果を発表すると予想している。
それでも、コバルト正極はしばらくは存在し続けるかもしれないと、生産者を代表する非営利業界団体コバルト協会の元会長で現顧問のデイビッド・ウェイト氏は語る。コバルトがリチウムイオン電池にもたらす安定性と性能上の利点に加え、製造企業は正極の化学的性質を改良するために長年、数十億ドルを費やしてきた。つまり、新規参入者は業界の慣習を克服しなければならないということだ。「コバルトを必要としない化学システムが商業的に実現するには、はるか未来を見据える必要があります」とウェイト氏は言う。「全く新しい技術への移行は一夜にして起こるものではありません。コバルトは予見可能な将来においても、電池に使用され続けるでしょう。」
世界銀行の最近の報告書によると、リチウムイオン電池の需要増加に対応するには、今後数十年でコバルト生産量を500%増加させる必要があると予測されています。コンゴ民主共和国（DRC）だけではこの需要を満たすことは不可能で、ウェイト氏によると、世界中で複数のコバルト探査事業が進行中です。最大のコバルト鉱床は海底にありますが、深海採掘は依然として議論の的となっています。しかし、たとえ供給が問題にならないとしても、コバルトフリーの正極によって、リチウムイオン電池はこれまで以上に安価で、毒性が低く、倫理的に優れたものになる可能性があります。
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