NHK番組「チコちゃんに叱られる!」の放送内容を詳しく紹介!

チコちゃんに叱られる!

チコちゃんクイズ

リチウムイオン電池ってなに?→一言では言えないのでノーベル賞受賞者 吉野彰さんが1時間かけて分かりやすく説明してくれました

更新日:

今回は、2020年3月11日金曜日放送、チコちゃんに叱られる!▽ノーベル賞!リチウムイオン電池▽柿の種の謎の番組内容を紹介。


リチウムイオン電池ってなに?





確かに改めて聞かれたら説明できないですね。






リチウムイオン電池ってなに?


本日の1問目。


チコちゃん「ねぇねぇ岡村、この中で一番電子機器をスマートに使いこなすステキな大人ってだーれ?」


岡村さんと山崎さんの意向で、持田さんが回答者に。


電池の話題。


チコちゃん「リチウムイオン電池ってなに?」


持田さん「アルミ、、、」


正解に至らず、叱られちゃいました。


山崎さんにも聞いてみると、


山崎さん「リチウムという画期的な素材を発見した事がポイント。」


その後も、注釈を続けますが、不正解。


東京の銀座で聞いてみても、正解なし。


チコちゃんの答えは、「一言では言えないのでノーベル賞受賞者 吉野彰さんが1時間かけて分かりやすく説明してくれました。」


岡村「そんなの持田さん無理じゃないですか?」



一言では言えないのでノーベル賞受賞者 吉野彰さんが1時間かけて分かりやすく説明してくれました


解説は、ノーベル賞受賞者の吉野彰さん。


スタッフ「リチウムイオン電池って簡単に言うと何なんですか?」


吉野さん「困ったなぁ。。難しい。」


吉野さん「リチウムイオン電池はリチウムイオンが2つの板の間を行ったり来たりするものなんです。」


スタッフ「リチウムってなんでしたっけ?」



リチウムは元素周期表の「すいへいりーべー・・・」の「りー」の物質。






従来の乾電池(ボルタの電池)の仕組み






硫酸が入っている容器に金属(亜鉛と銅)の板を付けると亜鉛が溶けだして電子が発生。


その電子が銅線を伝わって銅の板へ移動。


この電子の動きが電流。


スタッフは理解できていないようですが、理系出身の担当ADの援軍。


ダムの流れに例えて解説を補足。


水を電子だとすると、ダムのゲートを開けて水が流れだした時に水の流れ(=電流)が発生。





電子は多い方から少ない方へと自然に流れていきます。


それ以上電子が作られなくなった時点で電池切れ。


アルカリ乾電池やマンガン乾電池などの使い切り電池では電子は一方通行。





しかし、リチウムイオン電池ではリチウムイオンが一方通行ではなく行ったり来たり。


リチウムイオン電池には正極と負極で2つの板が入っています。


片方の板(正極)にリチウムが沢山含まれている状態が充電ゼロ状態。





ここに充電器をつなぐと充電器の電圧によってリチウムから電子が離れ、リチウムはリチウムイオンに。





そして電子は電子の少ない負極へどんどん移動。





すると移動する電子に引き付けられてリチウムイオンも負極へ移動。


こうして負極に電子とリチウムイオンが溜まった状態になった時が満充電。





ここでリチウムイオン電池が組み込まれた電子機器のスイッチオン。





すると回路がつながって電子が移動できる状態になります。


この時電子が負極から正極へ移動して、電流が発生。


そしてまたリチウムイオンも正極へ移動。





全て移動し終わると充電切れの状態に。


これを繰り返すのが充電池の仕組み。


使い切りの電池は、一方通行、充電できる電池は、いったりきたり。






リチウムイオン電池の最大の特徴はその大きなパワー(電圧の高さ)


これを生むのに大切な要素が“電子の離れやすさ”。


そこで重要になるのがイオン化傾向という指標。


これは、どの金属がイオンになりやすいか(=電子を離しやすいか)。


元素周期表の一番右端には“希ガス”が縦に並んで表記。






これらの元素は一番外側に2つもしくは8つの電子が満席状態で位置している元素。





これは物質として安定している状態。


つまり、科学的反応が起きにくい。


そして全ての元素はこの安定した状態になりたがる(=希ガスになりたがる)。


一方で元素周期表の一番左側に並んだ元素たちは電子が一つだけの状態。


安定した状態になるにはたった一つだけある電子を離すだけ。





これはとても電子を離しやすい(=イオンになりやすい)元素。


リチウムは、この電子を話しやすい元素。


すなわち、沢山の電子(=電流)を作りやすい事につながります。


そのため、リチウムイオン電池は大きなパワーを作ることができます。



リチウムは軽い!


元素周期表は元素の軽い順に並んでいます。





「すいへいりーべー」の「りー」で3つ目に登場するリチウム。


これも、水素やヘリウムに次いで、非常に軽い元素。


このリチウムを使う事で電池の軽量化にも成功。


小さくて軽くても大きなパワーを生み出し、かつ繰り返し使えるという点がリチウムイオン電池の特徴。



2019年のノーベル化学賞はリチウムイオン電池の開発で3名の科学者たちが受賞。






リチウムイオン電池の仕組みを発見したスタンリー・ウッティンガム教授、


電子の流れを作るための正極に適した素材を発見したジョン・グッドイナフ教授、


そして負極に適した素材を発見して実用化を達成した吉野彰さん。


この3つの発見で、作られたのがこのリチウムイオン電池。



リチウムイオン電池誕生の瞬間


吉野さんによると、年末の大掃除を終えて昼間から空き時間。


溜まっていた論文のコピーに目を通していた際、グッドイナフ教授の論文を読んで着想。


年明け早々にそれまでに出来上がっていた負極と組み合わせます。


すると、電子が発生してリチウムイオン電池が完成。





今後は環境保全の面でも期待されているリチウムイオン電池。


大きなパワーをもつ、蓄電池としても利用されています。



結論


というわけで、


「リチウムイオン電池ってなに?」は、


「一言では言えないのでノーベル賞受賞者 吉野彰さんが1時間かけて分かりやすく説明してくれました」


でした。
 


解説してくれたのは


吉野彰さん


吉野 彰(よしの あきら、1948年(昭和23年)1月30日[1] – )は、電気化学を専門とする日本のエンジニア、研究者。博士(工学)(大阪大学・2005年)、旭化成株式会社名誉フェロー。携帯電話やパソコンなどに用いられるリチウムイオン二次電池の発明者の一人。2019年10月、ノーベル化学賞受賞が決定し[5][6][7]、2019年12月10日に受賞[8]。福井謙一の孫弟子に当たる[9]。

エイ・ティーバッテリー技術開発担当部長、旭化成 イオン二次電池事業推進室・室長、同 吉野研究室・室長、リチウムイオン電池材料評価研究センター・理事長などを歴任し、2019年現在名城大学大学院理工学研究科・教授、九州大学エネルギー基盤技術国際教育研究センター客員教授[10]。2004年紫綬褒章受章者[1]。

生い立ち
1948年に大阪府に生まれる[9]。担任教師の影響で小学校三・四年生頃に化学に関心を持ったという[9]。少年時代の愛読書にマイケル・ファラデーの『ロウソクの科学』の訳本がある[11][12]。吹田市立千里第二小学校、吹田市立第一中学校を経て大阪府立北野高校を卒業[13]。

合成繊維の発展という世相を背景に、新たなものを生み出す研究をしたいという思いから、京都大学工学部石油化学科に入学した[9]。すでに量子化学分野の権威として知られていた福井謙一への憧憬も京大工学部入学の理由の一つであり、大学では福井の講義を受講している[14]。

大学の教養課程では考古学研究会に入り、多くの時間を遺跡現場で発掘に充てた[9]。樫原廃寺跡の調査と保存運動にも携わり、また、考古学研究会での活動を通して後の妻と出会った[9]。大学三回生以降は米澤貞次郎のもとで学ぶ[9]。大学院修士課程修了後、大学での研究ではなく企業での研究開発に関わることを望み、旭化成工業(現:旭化成株式会社)に入社した[9]。

リチウムイオン電池の開発

ノーベル化学賞受賞に際して文部科学省より公表された肖像写真
1980年代、携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器の開発により、高容量で小型軽量な二次電池(充電可能な電池)のニーズが高まったが、従来のニッケル水素電池などでは限界があり新型二次電池が切望されていた。一方、陰極に金属リチウムを用いたリチウム電池による一次電池は商品化されていたが、金属リチウムを用いた二次電池は、充電時に反応性の高い金属リチウムが針状・樹枝状の結晶形態(デンドライト)で析出して発火・爆発する危険があり、また、デンドライトの生成により表面積が増大したリチウムの副反応により、充電と放電を繰り返すと性能が著しく劣化してしまうという非常な難点があるために、現在でもまだ実用化はされてはいない。

吉野は、白川英樹(2000年ノーベル化学賞受賞者)が発見した電気を通すプラスチックであるポリアセチレンに注目して、それが有機溶媒を使った二次電池の負極に適していることを1981年に見いだした。さらに、正極にはジョン・グッドイナフらが1980年に発見したリチウムと酸化コバルトの化合物であるコバルト酸リチウム (LiCoO2) などのリチウム遷移金属酸化物を用いて、リチウムイオン二次電池の原型を1983年に創出した[15][16]。

しかし、ポリアセチレンは真比重が低く電池容量が高くならないことや電極材料として不安定であるという問題があった。そこで、炭素材料を負極として、リチウムを含有するLiCoO2を正極とする新しい二次電池であるリチウムイオン二次電池 (LIB) の基本概念を1985年に確立した[17]。吉野が次の点に着目したことによりLIB(リチウムイオン・バッテリー)が誕生した。

正極にLiCoO2を用いることで、
正極自体がリチウムを含有するため、負極に金属リチウムを用いる必要がないので安全である
4V級の高い電位を持ち、そのため高容量が得られる
負極に炭素材料を用いることで、
炭素材料がリチウムを吸蔵するため、金属リチウムが電池中に存在しないので本質的に安全である
リチウムの吸蔵量が多く高容量が得られる
また、特定の結晶構造を持つ炭素材料を見いだし[17]、実用的な炭素負極を実現した。加えて、アルミ箔を正極集電体に用いる技術[18][19]や、安全性を確保するための機能性セパレータ[20]などの本質的な電池の構成要素に関する技術を確立し、さらに安全素子技術[21]、保護回路・充放電技術、電極構造・電池構造等の技術を開発し、さらに安全でかつ、出力電圧が金属リチウム二次電池に近い電池の実用化に成功して、ほぼ現在のLIBの構成を完成させた。1986年、LIBのプロトタイプが試験生産され、米国DOT(運輸省、Department of Transportation)の「金属リチウム電池とは異なる」との認定を受け、プリマーケッティングが開始された[22]。

しかし、商品化に1993年まで掛かった吉野とエイ・ティーバッテリ-(当時、旭化成と東芝の合弁会社、2004年解散[23])は出遅れ、世界初のリチウムイオン二次電池(LIB)は西美緒率いるソニー・エナジー・テックにより1990年に実用化[24]、1991年に商品化された[25]。

現在、リチウムイオン二次電池 (LIB) は携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ・ビデオ、携帯用音楽プレイヤーをはじめ幅広い電子・電気機器に搭載され、2010年にはLIB市場は1兆円規模に成長した[26]。小型で軽量なLIBが搭載されることで携帯用IT機器の利便性は大いに増大し、迅速で正確な情報伝達とそれに伴う安全性の向上・生産性の向上・生活の質的改善などに多大な貢献をしている。また、LIBは、エコカーと呼ばれる自動車 (EV, HEV, P-HEV) や鉄道[27]などの交通機関の動力源として実用化が進んでおり、電力の平準化やスマートグリッドのための蓄電装置としても精力的に研究がなされている。他には、ロケット[28][29]、人工衛星[28][29]、小惑星探査機はやぶさ・はやぶさ2[30]、こうのとり (HTV)[29]、国際宇宙ステーション (ISS)[29]などの宇宙開発分野、そうりゅう型潜水艦11番艦のおうりゅうなどの軍艦にも搭載されている[31]。愛車はリチウムイオン電池ではなくニッケル水素電池を採用されているトヨタ・アクア[32]。
(Wikipediaより)




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