【連載】TECH-MAG 研究室レポート

先生が研究している「ナトリウムイオン蓄電池」について教えてください。

ナトリウムイオン蓄電池は、その名のとおり「ナトリウム」を用いた蓄電池です。リチウムイオン蓄電池は、正極と負極の間をリチウムイオンが移動することで充放電が起こりますが、ナトリウムイオン蓄電池は、正極と負極の間をナトリウムイオンが移動して充放電が起きます。ナトリウムは海水や地中にも岩塩として存在し、自然界に豊富に資源が存在するので、リチウムと比べて材料確保が容易なことが特徴です。

研究を始めたきっかけを教えてください。

2004年に、九州大学の岡田重人先生が発表した「ナトリウムと鉄を組み合わせた電極の研究」の成果を学会で知ったことがきっかけです。鉄は毒性もなく資源が豊富で軽いという、電池の材料としては究極の元素ですが、リチウムと組み合わせた場合は電池の性能が十分に引き出せないため注目されていませんでした。しかし、岡田先生の研究によって、ナトリウムとの組み合わせなら十分な電圧が生み出せると分かったのです。

この研究を知ったこともあり、2005年に現在の大学に異動した際に「自分ならナトリウムイオン蓄電池が作れるのでは」と取り組むことにしました。ただ、周囲からは反対する意見もありました。過去に研究したけどうまくいかなかったからやめた方がいい、という研究者もいましたね。もちろん参考にしましたが、逆に解決すべき課題がはっきりとしていました。

風向きは悪かったのですね。

ナトリウムイオン蓄電池は、リチウムイオン蓄電池と同じ1980年代から研究されていました。しかし、電池性能を引き出すことがあまりに難しい上、リチウムイオン電池が先に成功したため誰も研究しなくなったという経緯があります。そのため「できっこない」と考えている人が多くいたのです。

それだけに、ナトリウムイオン蓄電池が動いたときはうれしかったですね。
「『できない』という常識がひっくり返った瞬間」ですから。

確かに30年前なら無理だったかもしれませんが、研究が進むにつれて物質の理解も進み、新しい合成法も出てきます。常識は変わるのです。

課題解決に向けてどのような取り組みをされていますか？

現在はこの特徴を伸ばすために、正極と負極に用いる材料の研究を進めています。ただ、自然界に存在する物質では性能を高めるのが難しいことが分かっているため、人工的に作るしかありません。毒性、資源、コストの点を踏まえて、正極はより多くのナトリウムイオンが動く結晶構造をデザインし、負極は同じくナトリウムをたくさん蓄えたり放出したりできる炭素を人工的に造り、日々実験を繰り返しています。

これをきっかけに多くの研究者がこの研究分野に参入し、今では世界中の研究者がナトリウムイオン電池用の材料の研究に取り組んでいて、研究現場では熾烈な競争が起こっています。二次電池は、今でこそ多くの研究者が取り組んでいますが、1980年代にはまだまだ新しい研究分野でした。そんな中、日本の企業が1991年にリチウムイオン蓄電池の実用化に成功しました。

時代の先駆者になった、ということですね。

そうですね。ナトリウムイオン蓄電池の研究は「成功するはずがない」という考えが多い中で成功しました。

同じように「うまくいくはずがない」と思われている研究が「ナトリウムイオン蓄電池がうまくいったから、もしかすると……」という考えで、他の研究に波及するかもしれません。それも、私たちの研究がもたらす影響だといえます。

最後に読者の高校生、大学生にメッセージをお願いします。

朝から夜深くまで好きに研究して、分からないことは徹底的に自分で調べて新しい発見に喜ぶ……大学での研究を振り返るとすごく楽しかったです。それで研究者を目指しました。化学の研究は頑張ればなんとかなります。当初の目標が達成できなかったとしても、予期しなかった新機能や新物質が発見できたり、不意に思いついたことで大きな成果が得られたりすることがあります。

そうして成果が出たときの達成感は格別の気分になれます。ただ、そのためにはしっかりと勉強し、努力することも必要。「棚からぼた餅と言うが、準備して待っていないとぼた餅をキャッチすることはできない」と昔誰かから聞いたことがあります。成功をつかむためには準備することが大事。
私がナトリウムイオン蓄電池を成功させた理由の一つに、電池の研究だけでなく、幅広い分野を学んだことが挙げられます。一つのことに集中するのではなく、広い視野でいろんなことに挑戦してほしいです。