リチウムイオン電池の歴史

電池がする仕事は、電気を作ることではありません。すでに作られた電気を化学の形で蓄えておき、必要なときに再び取り出すことです。発電所が料理人なら、電池は冷蔵庫です。

取り出す原理は酸化還元反応です。一方の物質は電子を手放したががり、もう一方は受け取りたがります。2つの物質を引き離しておき、その間に電線をつなぐと、電子は電線をぐるりと回って渡りながら電球を灯し、モーターを回します。充電は、その流れを無理やり逆に戻すことです。元の状態に戻せるなら二次電池、一度使って捨てるなら一次電池です。

では、どんな物質を組み合わせればよいのでしょうか。条件は2つあります。電子を手放そうとする性質が強いほど電圧が高くなり、物質が軽いほど同じ重さにより多くの電気を蓄えられます。リチウムはこの2つの条件を同時に満たす類いまれな元素です。金属の中で最も軽く、電子を手放そうとする性質も最も強い部類に入ります。

重さがなぜそれほど重要なのでしょうか。壁に取り付けて使う物なら、電池が重くてもかまいません。しかし、持ち歩く物や走る物は違います。電池を大きくすればその分だけ重くなり、重くなればそれを動かすためにより多くの電気を使います。ある地点を超えると、電池を増やしてもそれ以上遠くへは行けなくなります。そのため、長い間この産業の成績表は「1キログラムあたり何ワット時か」という一行だけでした。これをエネルギー密度と呼びます。この成績表がのちに何へと変わるのかが、この物語の後半部分です。

エネルギー密度と対をなす言葉が出力密度です。エネルギー密度が「どれだけ長持ちするか」なら、出力密度は「どれだけ強い力を出せるか」です。航続距離は前者が、加速や急速充電は後者が決めます。そしてこの2つは、大抵お互いを削り合います。初期の選択はおおむねこの2つの間のどこに立つかという問題でした。この2つの言葉は後から何度も出てきますので、ぜひ覚えておいてください。

だからといって、電池が燃料に勝ったわけではありません。同じ重さのガソリンが秘めるエネルギーに比べれば、現在の電池はまだ遠く及びません。電気自動車がガソリン車と同じくらい遠くまで走るために、電池を数百キログラムも積まなければならない理由がこれです。この格差を少しでも縮めることが、この産業が五十年間にわたってやってきたことのすべてだと言ってもよいほどです。

問題は、リチウムがおとなしい元素ではないということです。電子を手放しやすいということは、反応を起こしやすいという意味でもあります。水に触れれば激しく反応し、空気中にそのまま置くだけでも表面が変質します。最も優れた性能をもたらす性質と、最も危険な性質が同じ根から生じているのです。これから語られる五十年は、その一文にどう向き合ってきたかの記録です。

1973年、石油価格が高騰しました。ガソリンスタンドの前には長蛇の列ができ、石油を使うあらゆる産業が計算機を叩き直した年です。そのとき石油大手のエクソンは、正反対の方向に動きました。石油の次に来るエネルギーを研究するとして、科学者を大勢雇い入れたのです。石油を売って稼いだお金で、石油に代わるものを探そうという発想でした。

その名簿の中にスタンリー・ウィッティンガムがいました。彼が着目した概念はインターカレーション、日本語では層間挿入です。ある物質は薄い層が何重にも重なり合った構造をしていますが、その層と層の間にリチウムイオンがすっと入り込み、また抜け出すことができます。本棚に本を差したり抜いたりするようなものです。本棚そのものが壊れないため、同じことを何度でも繰り返せるというのが核心でした。

この概念がなぜそれほど重要だったのでしょうか。電池を何度繰り返し使えるかが、ここで決まるからです。それまでの充電式電池は、材料が溶けて再び固まる仕組みに頼ることが大半でした。そうした仕組みでは、繰り返すうちに形が崩れて容量が減ってしまいます。それに対して、層の間を出入りするだけの仕組みなら材料はほぼそのまま残ります。今日のバッテリーの寿命を「何サイクル」と数える習慣は、ここから生まれました。

1976年、ウィッティンガムは二硫化チタンを正極に、リチウム金属を負極に使った電池を実証しました。約2.4〜2.5Vの電圧が出て、何より再び充電ができました。世界で初めて登場した充電可能なリチウム電池でした。

エクソンはすぐに製品化しました。1977年、ボタンのような小さなセルをスイスの時計メーカーであるエボーシュに供給しました。世界を変えることになる技術の最初の顧客は、自動車でも発電所でもなく腕時計だったのです。新しい技術の最初の市場はいつだって小さいものです。小さくて高価なもの、つまり多少高いお金を払ってでも軽くて長持ちすることに価値がある場所から開かれます。

ところが1970年代末、エクソンは電池事業から撤退しました。理由は2つ重なっていました。石油価格が安定したことでそもそも研究を始めた理由が薄れ、リチウム金属の負極から火が出る危険性がどうしても抑えきれませんでした。会社は技術をライセンスとして外部に手放しました。最初に作った側が、最も早く手を引いたのです。

エクソンが誤った判断をしたとは言い切れません。当時のその電池は時計くらいにしか入らないものであり、危険で、会社の本業とも何の関係もありませんでした。ただ、その決断によってリチウム電池の次の章はアメリカの外で開かれることになりました。

初期のリチウム電池の負極は、リチウム金属そのものでした。性能面だけで言えば、これ以上の選択肢はありません。他の材料にリチウムを蓄えようとすればその材料の重さまで一緒に背負い込むことになりますが、純粋な金属ならその重荷がないからです。蓄えられるリチウムの量も、生み出せる電圧も最高です。

問題は充電する時に起こります。放電の際に抜け出したリチウムが充電時に負極の表面へと戻ってくるのですが、これが均一には広がりません。一度出っ張った場所に電界が集中し、その場所ばかりにリチウムが付着し続けるのです。そうして尖った木の枝のような結晶が育っていきます。デンドライトと呼ばれます。充電を繰り返すほど成長するという点が特に厄介です。 新品のときは問題ないのに、しばらく快適に使っていた製品がある日突然トラブルを引き起こすからです。

この枝が正極と負極の間を遮っている薄いセパレーターを突き破り、向こう側に届くとショートします。電子が回路をぐるりと回らず、セルの内部を真っ直ぐ突き抜けてしまう状態です。一瞬にして大電流が流れ、熱が発生します。ところがセルの中には燃えやすい液体、つまり電解質が入っています。熱が化学反応を促し、その反応がさらに熱を生み、その熱がまた反応を促します。一度始まると自力では止まりません。この悪循環を熱暴走と呼びます。

セパレーターがどういうものかを知ると、この危険性がさらに実感できます。正極と負極が直接触れ合わないよう遮りながら、リチウムイオンだけを通す極めて薄い膜です。目に見えない穴がびっしりと開いており、電解質がその穴を満たしてイオンを運びます。電池の安全性は、結局のところこの膜1枚が最後まで耐え抜けるかにかかっています。セルの中で最も重要な部品が最も弱い部品であるわけです。

1980年代、業界は二つに分かれました。一方はリチウム金属を何とか手なずけて使おうとしました。セパレーターを丈夫にし、電解質を変え、表面をコーティングしました。もう一方はまったく違う発想をしました。リチウム金属を外してしまい、リチウムを抱え込んで放出できる別の材料を負極に使おうというのです。蓄えられるリチウムは減り、電圧も少し損をします。性能だけを見れば明らかに後退です。

しかし、製品になるためには最高性能より先に満たすべき条件があります。事故を起こさないということです。何百万台もの製品が人の手に握られ、ポケットに入り、枕元に置かれるならなおさらです。性能を少し削って安全を買う取引、これこそがこの産業の決定的な進歩でした。より優れた材料を見つけ出したのではなく、最も優れた材料を諦めたことが新たな道を開いたのです。

この諦めが正しかったのかどうかは、諦めなかった会社たちが先に答えを出すことになります。ただその前に、材料の話をもう少し続けなければなりません。負極ひとつだけでは電池になりませんから、その相棒となった正極がどこから生まれたのかという話からです。

1980年、オックスフォード大学のジョン・グッドイナフの研究チームが、コバルト酸リチウムという正極材料を発表しました。略してLCOと呼びます。この材料の美点は、リチウムをかなりの量引き抜いても層状構造が崩れない点にありました。崩れないからこそ再び満たすことができ、それゆえに何度でも充電できるのです。

数字で見ると、その飛躍はさらに鮮明です。ウィッティンガムの電池が約2.4~2.5Vだったのに対し、LCOを使うと4.0V以上が出ました。約1.7倍です。電圧が上がれば、同じ量の電気を流してもより多くの仕事をさせることができます。材料の面で実用化のハードルを越えさせたのはこの電圧だったと言っても過言ではありません。

ところが、オックスフォード大学はこの特許の価値を見抜けませんでした。権利化することを断り、グッドイナフはLCOから生じたロイヤリティを一銭も受け取れませんでした。その後何十年にもわたり、世界で最も売れた正極材料だったにもかかわらずです。いま私たちが使っている携帯電話のバッテリーの根幹にある材料の対価が、0円だったのです。

LCOには影もありました。コバルトが高価な金属だという点です。手のひらサイズのセル1個に入る量はわずかですが、自動車1台を満たすほど積み重なると話は別です。この価格が、のちに情勢を再びひっくり返す火種になります。

正極が解決したため、残るは負極でした。その役割を果たしたのが、日本の化学メーカーである旭化成の吉野彰です。当初は電気を通すプラスチックであるポリアセチレンを使いましたが、かさばる上に扱いが困難でした。彼は炭素系へと方向転換し、素材を100種以上テストしました。そうしてたどり着いたのが、石油を精製した後に残る副産物である石油コークスでした。この材料は、約0.5V(Li/Li+基準)という極めて低い電位でリチウムを受け入れました。負極の電位が低いほど正極との差が広がるため、セルの電圧は高くなります。リチウム金属を使わずに、電圧のロスを最小限に抑え込んだのです。1985年、彼はこの組み合わせを特許出願しました。

ここで、今日のリチウムイオン電池の形が完成します。正極も負極もリチウムを抱き込んでは放出する材料であり、リチウムはその間をイオンの形で行き来するだけです。セルの中にリチウム金属の塊はありません。業界ではこの構造をロッキングチェアに例えます。椅子が前後に揺れるだけでどこへも消えてしまわないように、リチウムもまた両側の材料の間を行き来するだけなのです。

3人が分担して成し遂げたこの仕事は、2019年10月9日になってようやくノーベル化学賞を受賞しました。ウィッティンガム、グッドイナフ、吉野。授賞理由は「リチウムイオン電池の開発」でした。グッドイナフはそのとき97歳で歴代最高齢の受賞者となり、2023年にこの世を去りました。賞は発明から40年後に届きました。その間に、この電池はすでに世界中のポケットの中に入り込んでいたのです。

話を再び1980年代の終わりに巻き戻します。前の章で後回しにした部分、金属リチウムを諦めなかった側に何が起きたのかから始めましょう。

1989年8月、日本で1台の携帯電話から火が出ました。使っていた人が火傷を負ったのです。問題となった電池は、カナダのモリエナジーが製造した金属リチウム二次電池でした。NTTが約1万台をリコールし、同社は法的整理へと追い込まれました。金属リチウムを手なずけて使おうとした路線の終着駅でした。

金属リチウムが危険だということは、それ以前からも知られていました。しかし、実験室での危険と生身の人間が怪我をする事故とでは重みが違います。この事件の後、業界の天秤は完全に傾きました。前の章で触れた「諦め」が正しかったことが、諦めなかった企業が破綻するという形で証明されてしまったのです。

そして1991年、ソニーが世界で初めてリチウムイオン電池を商用化しました。グッドイナフの正極と吉野がまとめた構造を、ひとつの商品にまとめ上げたのです。誤解されやすい部分ですが、ソニーはリチウムイオン電池を発明していません。組み合わせただけです。 しかし、この組み合わせるという作業は、発明と同じくらい困難なものでした。

なぜよりによってソニーだったのでしょうか。ヒントは意外なところにあります。ソニーには磁気テープ事業部がありました。カセットテープやビデオテープを作っていた部署です。その仕事がどういうものかというと、ごく薄いフィルムの上に微細な粉末を均一に塗って巻き取る作業です。電極を作る工程がまさにそれでした。金属箔の上に活物質の粉末をムラなく塗り、巻き込んでいくのです。そこに電池事業部の電気化学が加わりました。材料ではなく、作る技術が勝負を分けたということです。

最初の製品が搭載されたのはビデオカメラでした。自動車ではなく、肩に担いで子どもの運動会を撮影していたあの機械です。前の章の腕時計と同じ理由です。持ち歩く製品であるがゆえに軽さそのものが商品価値であり、少し余分にお金を払ってでも長く撮影できる方が売れたのです。新しい電池は、いつだって軽さが高値で売れる場所から入っていきます。ノートパソコンが、その次に携帯電話が、そして最後に自動車がこの順番を辿ることになります。

当時のセルのエネルギー密度は、約80Wh/kg、200Wh/Lでした。初年度の生産量は10万個を超え、翌年の1992年には100万個を突破しました。わずか1年で10倍になったのです。ここからリチウムイオン電池は、実験室の品ではなく工業製品になりました。

ちなみに、技術が円熟したLCO系のセルは、約250Wh/kg、600Wh/Lにまで達しています。1991年の第1世代と比べて約3倍です。30年以上もかけて約3倍です。同じ期間に半導体がどれほど進化したかを思い起こせば、もどかしいほど遅いペースです。電池はソフトウェアで修正することができず、化学が定めた限界を材料を変えることでしか超えられないからです。

リチウムイオン電池が最初に押し出した相手は、ニッカド電池とニッケル水素電池でした。最初の飛躍はノートパソコンで起きました。1990年代半ばから後半、ノートパソコンがリチウムイオンへと乗り換え始めたのです。理由は単純でした。同じ重量でより長持ちしたからです。おまけもありました。ニッケル系電池には、浅い充放電を繰り返すと容量が減ったように見えるメモリー効果がありましたが、リチウムイオンには事実上それがありません。いつでも好きな時に充電器に挿せる電池が登場したのです。

二度目の飛躍はすぐに続きました。携帯電話が同じ電池を採用したのです。電池が変わると、機器の形が変わりました。より薄く軽いノートパソコン、ポケットに入る携帯電話が可能になりました。この変化が重要なのは、電池が単なる部品から、製品全体の設計を決定づける主役の座へと登りつめた合図だったからです。

市場が大きくなると、製造側も増えていきました。1999年、LG化学が清州（チョンジュ）にリチウムイオンの量産ラインを立ち上げました。韓国内初であり、世界でも2番目の量産設備でした。ソニーがこの電池を商品として世に送り出してから8年で、製造の現場において日本へと猛追したのです。ここから勝負の性質がもう一度変わります。誰がより優れたセルを作るかではなく、誰がより安く、より多く作るか。規模の経済が働く舞台へと移ったのです。

韓国大手3社は、それぞれ異なる形状を選びました。LG化学は平たいパウチ型に三元系を詰める道へ進み、サムスンSDIは小型セルから出発して頑丈な箱型である角型へと広げました。SKオンは最も遅れて参入しました。一方、日本のパナソニックは円筒型にこだわり、テスラのセル供給パートナーとなって米国ネバダ州に共同で工場を建てました。同じ化学組成であっても、セルをどんな形状で作るかが各社の命運を分けました。形状が違えば設備も、パックの組み立て方も、獲得できる顧客も変わってくるからです。

三度目の飛躍は、思いがけない形で訪れました。2008年にテスラ「ロードスター」が登場しましたが、このクルマに搭載されたのは自動車用に新しく開発された電池ではありませんでした。ノートパソコンに使われていた18650円筒形セルを6,831個束ねたパックだったのです。約53kWhで公称375V。自動車用の大型セルがまだ存在しなかったため、すでに大量かつ安価に供給されていた小型セルをかき集めて使いました。実質的にはノートパソコンのバッテリーで走るスポーツカーだったのです。2010年には日産「リーフ」が平たいパウチ型セルを載せて登場し、量産電気自動車の扉を開きました。

舞台が大きくなれば、事故の規模も大きくなりました。2016年9月、ギャラクシーノート7（Galaxy Note7）が発火事故によって約250万台の全量リコールに追い込まれました。熱暴走という専門用語がこのときニュースの字幕に躍り、一般にも知られる言葉になりました。セルひとつの問題が会社全体を揺るがしかねないことを業界が確認した事件であり、これ以降、電池を監視・制御するバッテリー管理システムの役割が一気に重くなりました。

三度の飛躍はそれぞれ異なるデバイスで起きましたが、求められた要求はまったく同じでした。より安く、より多く、そして絶対に事故を起こさないこと。この3つを同時に求められた瞬間、勝負は再びコストと安全性へと立ち返ります。そしてその現場で、長らく軽視されてきたひとつの材料がチャンスをつかむことになるのです。

1996年、グッドイナフは今度はテキサスでまた一つ新しいものを見つけ出しました。パディ、ナンジュンダスワミとともに発見し、1997年に発表したリン酸鉄リチウム、略してLFPです。コバルトもニッケルも使わず、鉄とリン酸で作られた正極です。結合が強固なため温度が上がっても壊れにくく、そのため火災が起きにくいのです。サイクル寿命も三元系よりはるかに長く、価格も安いです。

代わりに致命的な弱点がありました。エネルギー密度が低いのです。最新のセル同士で比較しても、三元系が最大265Wh/kgであるのに対し、LFPは最大205Wh/kgにとどまります。電気自動車の勝負が航続距離で争われていた時代、この差はそのまま「安物」という烙印でした。長距離モデルにはニッケルとコバルトを混ぜた三元系、安価なモデルにはLFP。そうやって棲み分けが決まっていました。

LFPを製品化しようとする試みがなかったわけではありません。2001年にMITからスピンオフしたA123システムズが、ナノサイズのリン酸鉄で挑みました。結果は2012年の破産で、会社は中国の万向集団（ワンシャングループ）に買収されました。アメリカで発明され、アメリカで実用化に失敗した技術が、こうして中国へと渡っていったのです。 これまでに見てきた光景が、また繰り返されたのでした。

中国がこの材料で形勢を逆転させた方法は、意外なものでした。材料そのものを改良したのではなく、詰め方を変えたのです。車に搭載されるのはセル単体ではなく「パック」です。セルを複数束ねてモジュールを作り、モジュールを集めてケースや冷却装置、制御回路を取り付けた塊のことです。しかし、パックの重量や体積の相当部分は、電気を蓄えない外殻に過ぎません。それなら、モジュールの段階を省いて、セルを直接パックに収めたらどうでしょうか。「セル・トゥ・パック」と呼ばれる手法です。外殻が減った分、同じ体積により多くのセルを詰め込めるため、セルの性能はそのままでも車の航続距離が伸びるのです。

2020年3月、BYDがブレードバッテリーを発表しました。細長い刃のような形状のセルをパックの底面に敷き詰め、モジュールをなくした構造でした。発表の白眉は釘刺し試験でした。セルに釘を刺しても煙も炎も上がらず、表面温度は30〜60℃にとどまりました。同じ条件下で三元系は500℃を超えて激しく燃え上がったのとは対照的でした。2022年6月にはCATLが第3世代セル・トゥ・パックである麒麟（キリン）バッテリーを発表しました。パックの体積利用率72%、セルのエネルギー密度最大255Wh/kgで1,000km走行を謳いました。2023年8月には4C急速充電に対応したLFPバッテリー「神行（シェンシン）」を打ち出し、10分の充電で400kmを主張しました。遅くて弱いとされてきた材料の弱点が、一つずつ消し去られていったのです。

数字は急速に覆りました。2021年7月、中国における月間のLFP搭載量が5.8GWhとなり、三元系の5.5GWhを初めて逆転しました。その年の年間でも、LFPの79.8GWhが三元系の74.3GWhを上回り、51.7%対48.1%となりました。2020年には世界の電気自動車用バッテリーの10%に満たなかった技術が、2024年には約半分、2025年には55%を超えました。中国国内の電気自動車販売の3分の2がLFPです。

ただし、世界中が一方向へ流れたわけではありません。2025年基準で中国国外で搭載されたバッテリーの約80%は、依然としてニッケル系でした。コストを重視する市場ではLFPが、航続距離を重視する市場では三元系が優勢なまま、市場が二つに分かれた形です。

次世代の技術として最も頻繁に名前が挙がるのは全固体電池です。その名の通り、液体の電解質を固体に変えた電池です。燃えやすい液体がセルの中にないというだけでも、安全性の面で非常に大きな強みになります。さらに興味深いのはその先です。固体電解質が強靭であれば、ずっと昔に断念したリチウム金属の負極を再び使うことができます。この物語の第3章で手放したカードを、50年ぶりに再び手に取るようなものです。

簡単だったなら、とっくに登場していたはずです。難しさは大きく分けて2つあります。固体と固体はぴったり密着させることが困難です。液体なら自然と隙間を満たしてくれますが、固体は圧着させなければならず、充放電によって材料が膨らんだり縮んだりすると接触面が剥がれてしまいます。そして、デンドライトが固体の中でも成長するという報告が相次いでいます。 50年前にリチウム金属を手放す原因となったあの宿題が、いまだに解けていないことを意味します。現在世に出ているもののほとんどは試作品の段階です。

スケジュールに関しては慎重に読み解く必要があります。サムスンSDIは蔚山（ウルサン）で2027年に全固体の量産を開始すると発表しており、900Wh/L以上を目標に掲げています。トヨタやBYDも2027年から2030年の間を少量生産や量産の時期として提示しています。ただし、これらの数字はすべて企業が掲げた目標値に過ぎません。この分野のスケジュールはこれまで何度も延期されてきました。「何年に出る」ではなく「何年を目標にしている」と受け止めるほうが正確です。

もう一つ注目すべきなのはナトリウムイオン電池です。リチウムの代わりに、はるかにありふれていて安価なナトリウムを使う電池ですが、エネルギー密度は最大175Wh/kgとLFPよりも低いです。この技術の運命は、性能よりもリチウム相場にかかっています。2022年11月に炭酸リチウムの価格はトンあたり60万元を超えて過去最高値を記録したものの、その後6万元台まで急落しました。リチウムが高騰しているときはナトリウムが代替案として浮上し、リチウムが安くなるとその意義が薄れます。現在、ナトリウムイオンの生産能力はリチウムイオンの約1%水準にとどまっており、2030年には約7%になるという見通しが出ています。

価格は下がり続けています。バッテリーパックの平均価格は、2023年にkWhあたり139ドル、2024年に115ドル、2025年に108ドルと、年ごとに最安値を更新してきました。ただし、同じものの値段がどこでも同じというわけではありません。2025年基準で中国のパック平均価格は84ドルですが、北米は44%、欧州は56%も高くなっています。ケミストリー別に見ても、LFPパックがkWhあたり81ドル、三元系が128ドルと差が開きました。値札の一行に、その国の工場の集積度とサプライチェーンが丸ごと映し出されているのです。

では、何に注目していればよいのでしょうか。4つだけ挙げましょう。1つ目は、全固体のスケジュールがさらに延期されるのか、それとも実際のラインが稼働するのか。2つ目は、中国国外でもLFPの比率が上がるのか、それともニッケル系の優位が維持されるのか。3つ目は、リチウム価格が再び跳ね上がるのか――そのときナトリウムイオンとリサイクルが同時に息を吹き返します。4つ目は、急速充電の速度です。充電が10分台で定着すれば航続距離へのこだわりは薄れ、そうなればエネルギー密度の低い材料の弱点も目立たなくなります。

最後にもう一つだけ。この物語で後れを取った陣営は、大抵の場合、技術がなくて淘汰されたわけではありませんでした。エクソンは最初のリチウム電池を作り、グッドイナフは今も使われている正極を2種類も発明し、ソニーはこの商品を世界で初めて世に送り出しました。ところが2026年上半期基準で、世界のEVバッテリー上位10社のうち7社が中国企業であり、その合計は72.4%に達します。1999年に世界で2番目に量産ラインを稼働させた韓国は、LGエナジーソリューションが8.6%で3番手につけています。最初に作り始めた者と、今最も多く作っている者が、ここでも食い違っているのです。先行者利益という言葉は、ことこの産業においては通用しませんでした。次の主役が誰になるのかも、まだ決まってはいません。