パリ－とのバッテリー・チャット 第5回：スタンリー・ウィッティンガム博士

2023年12月6日

スタンリー・ウィッティンガム博士はSUNYの著名な化学教授であり、リチウムイオン電池の開発につながる先駆的な研究で2019年のノーベル化学賞を受賞しました。ニッケル協会のバッテリースペシャリストであるパービン・アデリ博士（パリー）が、彼のバッテリー研究における長いキャリアと次なる展望についてインタビューしました。

Image Credit: Alexander Mahmoud (Nobel Media).

パリー・アデリ：あなたのバッテリー研究の歩みを教えてください。なぜ電池の研究に着手し、現在に至っているのですか？

スタンリー・ウィッティンガム博士：：1970年代当時は、電気自動車や電子機器、電話などのバックアップ・ストレージに関心がありましたが、大規模なグリッド・ストレージには関心がありませんでした。私は当時エクソンで働いていましたが、彼らの関心は石油会社ではなくエネルギー会社になりたいということでした。彼らはEVを探求すると同時に、ICEを継続したいと考えていました。

PA：リチウムイオンをホスト材料にインターカレーション（収容）することを発見したことが、エネルギー情勢にとって重要だと気づいたのはいつですか？

SW：早い時期です。というのも、私たちの最初の論文はサイエンス誌に掲載されたのですが、サイエンス誌に掲載されるのは簡単ではありません。私たちが取り組んだ特定の材料は二硫化チタンで、分子レベルでリチウムイオンをインターカレートできる空間を持っていました。エクソンは一部の用途向けに小型セルを製造していました。価格が下がり、エクソンは興味を失い、ソニーにライセンス供与した。ソニーはその後、あらゆる電子機器用のリチウムイオン二次電池を開発しました。現在、ほとんどのシステムはニッケル80％、マンガン10％、コバルト10％です。

PA：ノーベル賞の受賞は遅かったと思いますか？

SW：人々はそれについてコメントしています。ジョン・グッドイナフはノーベル賞を受賞した最高齢の人物でした。私たちは、彼が長生きして受賞できたことをうれしく思っています。

PA：リチウムイオン電池の開発過程で直面した主な課題は何でしたか？

SW：最大の課題は、すべての発明を私たちが行ったことです。電池の知的財産はすべてアメリカかイギリスにあるのですが、欧米人が製造方法を学ぶためにお金を投資したがらなかったため、すべてがアジアに移ってしまったのです。私たちが今直面している大きな問題は、材料、訓練を受けた人材、製造施設などのサプライチェーンがアメリカにないということです。

私たちはニューヨーク州連邦政府から1億1300万ドルを受け取り、IBMの古いビルに試作施設を建設し、1200万ドルを労働力の訓練に充てたところです。これが北米に欠けているものです。

PA：あなたは現在、Niリッチ正極材料におけるNbコーティング／置換の影響について研究していますね。Nbによる改質は電池全体の性能にどのような影響を与えますか？

SW：60％ニッケルは空気中で安定し、うまく機能することがわかっています。しかし、ニッケル含有量が80％に達すると、空気中での安定性が損なわれます。つまり、バッテリー電解液との反応性が高まるため、より雰囲気をコントロールする必要があり、かなり早く容量が低下してしまうのです。私たちは、80％ニッケルを安定させるために、価数元素の添加を始めました。その結果、ニオブが最も効果的であることがわかりました。90％ニッケル（NMC 9055）に約1％のNbを添加して数百サイクル使用できました。それ以上は必要ありません。Nbはカソード粒子のクラックを止め、数百サイクルの間、容量損失はないようです。この結果は、2022年のオープンアクセス論文に掲載されています：ニオブ被覆／置換によるNiリッチ層状正極材料の電気化学的特性評価と微細構造の進化

PA：この研究の次のステップは？

SW：次のステップは、異なる温度での挙動を研究し、800～1000サイクルに到達できるかどうかを確認することです。高ニッケルカソードで可能な理論的エネルギー密度は1000Wh/kgのはずです。現実には250Wh/kgなので、25％しか得られていません。目標は500Wh/kgまで上げてエネルギー密度を2倍にすることです。私たちはまた、NbコートNMCが高温と低温でどの程度の挙動を示すか、米軍の資金提供を受けて研究を行っています。

PA：ビンガムトンには、それを実現するためのインフラがあるのですか？

SW：米国でも数少ないドライルームとパウチセル製造施設が大学内にあります。私は国立研究所と学術機関の大規模なコンソーシアムであるBattery500の一員として働いているので、彼らと緊密に連携しています。私たちは規模を拡大していくつもりです。

PA：正極について説明いただきましたが、電解質も重要であることは承知しています。異なる電解質がニッケルリッチ正極に与える影響に関する最近の研究について教えてください。

SW：私たちがバッテリー500で行っていることのひとつは、グラファイト負極を取り除き、純粋なLi金属を使用することです。純粋なLi金属は、現在Liイオンで使われている炭酸塩電解液からうまく平面電着しません。私たちは、古いエクソン電解液をベースにした新しい電解液を開発しました。新しい電解液は有機エーテルで、新しい塩LiFSIが含まれています。エーテルの平面電着Liは、炭酸塩よりもはるかに優れています。私たちは、これらのシステムがどれだけ安定しているかを調べています。Liや高ニッケルと反応するのか？そこで、熱安定性の研究に着手しました。今、Battery500の主な目標は、システム全体の安定性を研究し、副反応の中で我々が望まないものを理解し、それをどのように消し去るかということです。

安定性研究は1年ほど前に始まり、2023年に最初の論文を発表しました：リチウム金属電池における高ニッケル層正極の優れた構造安定性と長時間サイクルを可能にする

PA：NbドープNMC材料の商業化の道筋は？

SW：私の推測では、すでにNbドープNMC材料に注目している人たちはいますが、まだ私たちには話していません。彼らが商業化を望めば、ライセンスについて私たちに話をしに来るでしょう。すべての詳細は、先に述べた出版物に記載されています。

PA：最近、米国の2つの新興企業が高ニッケル正極材料（Ni>90%）のスケールアップに取り組んでいます。どうお考えですか？

SW：過去10年間の商業用電池のほとんどは⅓Co⅓Mnで、その後60％Niになりました。その後、テスラがEVで高ニッケルNCAを使用しています。Niは85％でしたが、現在は90％になっています。最近では、NMCA（ニッケル・マンガン・コバルト・アルミニウム酸化物）が話題になっています。目標はより高いNiを得ることです。問題は、どの程度が高すぎるのか、ということです。

PA：ニッケル電池がEVを超えた持続可能な未来に貢献するさまざまな用途について、どのようにお考えですか？

SW：EVの先には、ドローン用のバッテリーがあります。次の論理的なステップは、捜索救助、緊急時の人の移動です。また、航空宇宙タイプの用途もあります。

シアトル北部に拠点を置くEviation社は、VTOLではない標準的な離陸機を設計しています。この飛行機は必要な電力がはるかに少ないので、より効率的なはずです。彼らは、12人の乗客とパイロットを乗せることができ、旅程がかなり短いアイランドホッピングに便利だと主張しています。

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