ノーベル賞
ノーベル賞の成果への投資：リチウムイオン電池で世界を駆動する
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ノーベル賞の歴史
ノーベル賞は科学界で最も権威のある賞です。アルフレッド・ノーベル氏の遺言に基づき、前年度に「人類に最大の利益をもたらした」と評価された物理学、化学、生理学・医学、文学、平和の分野で受賞者に賞が授与されます。第6の賞は後にスウェーデン中央銀行によって経済科学のために創設されました。
受賞者の選定は複数のスウェーデン学術機関に委ねられています。
遺産への懸念
ノーベル賞を創設しようと考えたのは、フランスの新聞が兄の死を誤って報じたことから自分の死亡記事を読んだアルフレッド・ノーベルがきっかけでした。「死んだ死の商人」という見出しで、フランスの記事は煙のない爆薬、特にダイナマイトの発明者としてノーベルを非難しました。
彼の発明は近代戦争の形を大きく変え、ノーベルは大規模な鉄鋼工場を買収して主要な兵器メーカーに転換しました。化学者・技術者・発明家としての経歴を持つノーベルは、戦争や他者の死によって富を得た人物としての遺産を残したくなかったのです。
ノーベル賞
現在、ノーベル財団と金メダル、証書、1,100万スウェーデン・クローナ（約100万ドル）の賞金を賄うために、ノーベル財産は投資基金として運用されています。
出典: Britannica
ノーベル賞の賞金は、特に科学分野で2〜3人の主要研究者が共同または平行して画期的な発見をした場合に、複数の受賞者に分配されることがよくあります。
年月を経て、ノーベル賞は理論的発見と実用的発見のバランスを取ろうとする「科学界の最高賞」へと成長しました。放射能、抗生物質、X線、PCRといった現代社会の基盤を築く成果や、太陽のエネルギー源、電子の電荷、原子構造、超流動性などの基礎科学も称賛されています。
すべてを駆動するバッテリー
今日、電化は止められない潮流となり、エネルギーシステム全体が化石燃料から置き換えられつつあります。電気自動車からヒートポンプまで、すべては金属と酸をベースにした従来の設計をはるかに上回る、はるかに強力なバッテリーの登場なしには実現できませんでした。
バッテリーは電気を蓄えて再び放出する装置です。一部は使い捨てですが、実用的なのは充電可能なものです。長らく、19世紀半ばに発明された鉛酸バッテリーが低コストと頑丈さで支配的な充電式バッテリーでした。
出典: Electrical 4 U
最も単純な形では、鉛酸バッテリーは充電時に酸から硫黄イオンを鉛原子へ移動させ、放電時にその反応を逆転させます。
出典: PV Education
この設計は長く支配的でしたが、以下の問題で制限されました：
- 重量が重い
- 腐食性のある材料
- 数百から千回程度のサイクルしか持たない比較的短い寿命
- 時間経過による自己放電
- エネルギー密度が低い
これらの制約により、鉛酸バッテリーは自動車のスパークやラジオといった低電力用途に適していましたが、電子機器や化石燃料代替といった高い要求には対応できませんでした。
この状況は、3人の研究者、ジョン・B・グッドイナフ、M・スタンリー・ウィッティンハム、そして吉野 彰の共同研究により変わります。彼らは2019年に化学賞を受賞し、リチウムイオン電池の開発に貢献しました。
出典: Nobel Prize
今日、リチウムイオン電池はコンピュータやスマートフォン、バックアップバンクから電気自動車、電力網、そして近い将来は航空機にまで応用が広がっています。
リチウムの独特な電気的性質
リチウムは1817年にスウェーデンの化学者によって初めて発見されました。原子番号3（核に3個の陽子）を持つ、最も軽い固体元素です。
出典: Medium
リチウム原子はサイズが小さく、外側の殻に1つの電子しか持ちません。その電子が別の原子に移動すると、原子あたりで非常に大きな電位変化が生じます。
この極端な反応性はバッテリーに理想的ですが、同時に危険も伴います。高い反応性のため、純粋なリチウム金属は水や空気と接触すると自己発火する可能性があります。これは金属ナトリウムやマグネシウムと似た性質です。
ほとんどのバッテリーは、負極（アノード）と正極（カソード）を液体電解質で結びつけるという基本概念に基づいて動作します。
出典: Nobel Prize
リチウムの極端な反応性により、電解質は水系では使用できませんでした。1960年代には、有機（炭素系）分子を用いた電解質が開発され、惰性、融点、酸化還元安定性、リチウムイオンと塩の溶解度、イオン・電子移動速度、粘度などの条件が調整されました。
出典: Nobel Prize
リチウムイオン電池の初期設計は金属リチウムをアノード、炭酸塩系化合物を電解質として使用しましたが、適切なカソード材料を見つけることがより大きな課題でした。
大手石油がリチウム電池を創出
驚くべきことに、内燃機関車を脅かす現代のリチウムイオン電池の起源は、エクソン・リサーチ・アンド・エンジニアリング社という「大手石油」企業で開発されました。
1970年代、石油枯渇（ピークオイル）という概念が深刻に受け止められ、エクソンはエネルギー分野での継続的な存在感を確保しようと、トップクラスの科学者に豊富な研究予算と独立した研究の自由を与えました。
その中にスタンリー・ウィッティンハム（Stanley Whittingham）氏がいました。スタンフォード大学出身の研究者で、「インターカレーション（層間挿入）」を専門としていました。インターカレーションとは、材料中の原子サイズの空孔がイオンと結合できる現象です。
インターカレーションはリチウムイオンを隙間に保持できる理想的なカソード材料となります。
しかし、カソードは以下の多くの仕様を満たす必要がありました：
- 電解質に溶解しないこと
- 電解質がインターカレーションしないこと
- インターカレーションが可逆的であること
- 充放電時の構造変化が最小であること
- 常温・常圧で動作できること
ウィッティンハムはタントラム硫化物（TiS2）を最終的に採用し、タントラム硫化物は重量が重いという欠点があるものの、タントラムより軽量なチタン二硫化物（TiS2）に決定しました。
出典: Nobel Prize
性能向上のため、チタン二硫化物粉末をテフロンと混合し、スチール基盤に取り付け、ポリプロピレンフィルムとリチウム金属で包みました。
デンドライト問題
リチウムイオン電池の潜在的な問題として、充放電サイクルが繰り返されるとリチウムから樹状構造（デンドライト）が形成されることがありました。
出典: Nobel Prize
デンドライトが絶縁体を突き破り、バッテリー内部の2つの電極をショートさせると、短絡が起きて爆発の危険がありました。
デンドライトがもう一方の電極に到達すると、バッテリーは短絡し、爆発につながる可能性があります。
消防隊は多数の火災を消し、最終的にリチウム火災用の特殊消火剤の費用を実験室に請求しようとしました。
アルミニウムをリチウムアノードに添加することでデンドライトの形成を抑制し、1976年に時計用として最初の商用リチウムイオン電池が実用化されました。
同時期に、1970年代のスタグフレーションで急騰した原油価格が下落し、新たな油田も発見されたことで「ピークオイル」の懸念は和らぎました。これによりエクソンの収益が減少し、基礎研究への投資が削減され、開発されたバッテリーは他社へライセンス供与されました。
より優れたカソード材料
スタンリー・ウィッティンハムが実用的なカソードを作り出した後、次のノーベル賞受賞者であるジョン・グッドイナフは電位をさらに向上させ、バッテリー性能を大幅に改善しました。
グッドイナフは物理学者であり数学者でもあり、MITでランダムアクセスメモリ（RAM）の発明に関わった経験があります。その後オックスフォード大学に移り、エネルギーシステム、特にバッテリー研究に従事しました。
リチウムイオン電池を研究する中で、金属酸化物がウィッティンハムの金属硫化物よりも優れていることに気付きました。体系的な探索の結果、リチウムコバルト酸化物が従来設計の2倍の電位（4V）を示すことを1980年に発表しました。
出典: Nobel Prize
このコバルト系設計は10年代までリチウムイオン電池の主流となり、その後コバルトフリーの代替化学が登場し始めました。詳細は「Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?」をご参照ください。
リチウム研究の新拠点
西側諸国では1980年代の原油価格急落により代替エネルギーへの需要が減少しましたが、日本では携帯型小型電子機器が急成長し、長時間駆動・軽量・小型という電源が求められました。
旭化成の吉野彰は、バッテリーが欠けている重要なリンクであり、産業がそれを必要とすることを早くから認識しました。
リチウムイオン電池はエネルギー密度の面で適合し、グッドイナフのコバルト系カソードも備えていましたが、リチウム金属アノードと危険なデンドライトの問題は依然として残っていました。
吉野は純粋リチウムを使用した電池で、重い物体を落とすと強力な爆発が起きることを確認しました。この危険性は大型バッテリーの消費者保護法に適合せず、広報上の大災害になる恐れがありました。
アノードからリチウムを除去する
鉛筆の芯のような純炭素（グラファイト）は、金属リチウムアノードの代替として長らく知られていましたが、電解質中で損傷し粉砕される問題がありました。
吉野彰がノーベル賞を受賞するきっかけとなった重要な洞察は、グラファイトの代わりに石油コークスを使用することでした。石油コークスは石油産業の副産物で、特定の品質はリチウムイオン電池の条件下で安定することが判明しました。
吉野は、適切な結晶性を持つコークスアノードが大量のリチウムイオンを受容・放出できることを測定しました。この設計ははるかに安全で、より大きなリチウムイオン電池の商業化への道を開きました。
その後、吉野は自ら開発したコークスアノードとグッドイナフのコバルト酸化物カソードを組み合わせた電池を構築しました。
この電池は1991年にソニーと旭化成によって商業化され、グッドイナフの発見から11年、ウィッティンハムの最初の商用リチウムイオン電池から15年後のことでした。
出典: Nobel Prize
リチウムイオンの遺産と継続的な重要性
吉野のコークス／コバルト酸化物リチウムイオン電池は、すぐに現代の電子機器全般に普及しました。これらはコンピューティングとエレクトロニクスの進化と共に、ノートパソコン、MP3プレーヤー、スマートフォン、ハンドヘルドゲーム機、タブレットへと発展し、私たちの日常に欠かせない存在となりました。
リチウムイオンは電気自動車（EV）の台頭により新たな革命を迎えました。テスラや中国のBYD（バッテリー企業から世界最大の電気自動車メーカーへ、記事末尾で詳述）によって最初に大きく押し上げられました。
1台のEVが数百台分のスマートフォンやコンピュータのバッテリー容量を消費するため、市場は2015年以前と比べて飛躍的に拡大しました。
(TSLA )
出典: Statista
電化革命は現在最高潮に達しており、レガシーメーカーや小規模スタートアップが転換に苦戦しているものの、EV技術で先行する中国メーカーが圧倒的に優位に立っています。
リチウムイオン電池は、間欠的な再生可能エネルギーに依存する電力網の安定化にも利用されていますが、これは必ずしも最適な化学ではないことも指摘しています（「The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech」参照）。
バッテリー技術の今後
EVによるリチウムイオン電池の需要爆発は、同時に電池に使用される金属の需要も急増させました。
これによりリチウム価格は極端な変動を見せ、採掘業界は過剰生産と不足のサイクルを繰り返しています。
出典: Carbon Credits
コバルトなどの他金属は、児童・強制労働や人権侵害と結びつく大量生産が問題視されています。
このため、1996年にジョン・グッドイナフはコバルトフリー代替としてリチウム・鉄・リン酸（LFP）を提案しました（「LiFePO4：再充電可能電池の新しいカソード材料」）。
LFPは従来のリチウムイオン電池に比べてエネルギー密度は低いものの、より持続可能で低コストな代替となり、2022年にはEVバッテリー市場の31％を占めました。参考：2022年のデータ。家庭用エネルギー貯蔵でも広く使用されています。
他にもナトリウムイオン（リチウムを完全に置き換え、安価な塩を使用）や固体電池といった代替技術が市場に登場しています。
出典: Nature
モビリティ志向のバッテリー技術の概要は「The Future of Mobility – Battery Tech」をご覧ください。
ここ数年、グッドイナフ博士が2023年に逝去する直前に取り組んだ「ガラス電池」概念は、従来のリチウムイオン電池の2倍のエネルギー密度、23,000回の充放電が可能、数分での充電といった驚異的な主張がされています（参考文献）。
バッテリー技術への投資
リチウムイオン電池は、先進的な電子機器をどこでも持ち運べるようにしたり、電気自動車を走らせたりと、すでに何度も世界を変えてきました。今後も再生可能エネルギー100％の電力網や、十分なエネルギー密度が実現すれば航空機の電動化にも貢献できる可能性があります。
バッテリー関連企業への投資は多数のブローカーを通じて可能で、当サイト securities.io では米国ベストブローカー、カナダベストブローカー、オーストラリアベストブローカー、英国ベストブローカー、その他多数の国々の情報をご提供しています。
特定のバッテリー企業を選びたくない場合は、バイオテクノロジーETFとしてAmplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)、Global X のLithium & Battery Tech ETF (LIT)、あるいはWisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) など、より分散された形でバッテリー産業へのエクスポージャーを得ることができます。
バッテリー企業
1. CATL (300750.SZ)
CATLはバッテリー製造の世界的リーダーで、全世界のバッテリー出荷量の半分以上を占めています。
同社はバッテリー製造サプライチェーンのすべての段階に関与し、バッテリー技術のリーダーでもあります。
これはリチウムイオン電池においても長年にわたりリーダーシップを保持していることを意味します。
CATLは他のバッテリータイプに関しても以下のような目覚ましい進展を発表しています：
- ユーティリティ規模エネルギー貯蔵向けに12,000サイクルの超長寿命バッテリー、長期目標は18,000サイクル
- 700km走行可能なLFPバッテリー、10分で400kmの航続距離を充電
- 500 Wh/kg のエネルギー密度、旅客機の電動化を実現可能に
- 160 Wh/kg のナトリウムイオン電池を大量生産、目標は200 Wh/kg
出典: CATL
最近では、リチウム金属アノードでのデンドライト形成問題を、3D構造で阻止することで実質的に解決したと発表されました。
同社はユーティリティ規模バッテリー市場にも本格参入し、TENERシステムの性能を発表しました。これは「北京での使用開始から5年間で劣化がゼロの世界初の大量生産可能エネルギー貯蔵システム」です。
20フィートコンテナに6.25 MWh の容量を持つコンパクトなエネルギー。最先端技術と極限の製造能力により、活性化したリチウム金属による熱暴走を防止し、ゼロ劣化バッテリーを実現。
CATLは中国でバッテリーリサイクル施設に 32.5億ドル を投資。また、ニッケル、コバルト、マンガンの回収率は 99.6％、リチウムは91％ と非常に高いです。
規模、フォーカス、R&D実績により、CATLはバッテリーイノベーション、製造、リサイクルの最前線に立つ可能性が高く、テスラ、NIO、フォード、ステランティスなどのEVメーカーにとって重要なパートナーです。
2. BYD (BYDDY)
長年テスラのEV市場に挑戦してきたBYDは、テスラだけでなくほぼすべての自動車メーカーにとって真剣な競争相手となっています。
同社は元々リチウムイオン携帯電話バッテリーのサプライヤーとして始まり、中国（世界最大のEV市場）でテスラに匹敵するEV販売台数を誇り、タイ、スウェーデン、オーストラリア、ニュージーランド、シンガポール、イスラエル、ブラジルでもベストセラーEVとなっています
BYDは2023年に中国が世界最大の自動車輸出国となり、日本を抜いた背景にも大きく貢献しています。同社の積極的な海外展開は、ハンガリーに新工場を建設するなどの動きでも支えられています。ハンガリーでの事例
さらに、10,000〜12,000ドルの価格帯で販売されるSeagulなどの車種は、ナトリウム電池を使用し、BYD EVの新たな市場を切り開く可能性があります。
バッテリー製造がコアであるBYDは、LFP（リチウム鉄リン酸）バッテリー市場でCATLに対抗し、中国国内で41.1％のシェアを占めています（CATLの33.9％と比較）。
安価なBYD製EVが欧米市場に大量に流入すると、最近課された関税を上回る保護主義的措置が取られる可能性がありますが、成長を阻む要因になるかもしれません。
しかし同時に、欧米以外の地域では中国製EVが大成功を収めており、南米、ロシア、アフリカ、中東、東南アジアなど、国内自動車メーカーが少ない市場で大きな顧客基盤を形成しています。
これは、欧米や米国でも、中国価格に比べて現地メーカーの価格が高いため、東欧、メキシコ、トルコなどで中国以外での生産をローカライズすれば、保護主義的障壁はそれほど強くならないと考えられます。
