グッドイナフは硫化物を酸化物に置き換え、1980年に4ボルトのリチウム陰極を実現した

リチウム電池は1970年代の石油危機に始まる。エクソンのM・スタンリー・ウィッティンガムが化石燃料に依存しないエネルギー貯蔵を探求する中で、二硫化チタンという極めてエネルギー密度の高い陰極を見出した。その分子層はリチウムイオンを収容する、すなわちインターカレートする。一部が金属リチウムでできた負極と組み合わせると、実効電位は2ボルトをわずかに超えた。しかし金属リチウムは反応性が高く、ノーベル委員会の言葉を借りれば、この電池は爆発性が高すぎて実用にはならないものだった。

当時オックスフォードで無機化学の責任者を務めていたジョン・グッドイナフは、金属硫化物ではなく金属酸化物に基づく陰極の方がさらに大きな電位を持つと予測した。水島公一、フィリップ・ワイズマン、P・C・ジョーンズとの体系的な探索の後、彼は1980年に、リチウムイオンをインターカレートしたコバルト酸化物が最大4ボルトを生み出し得ることを実証した。これにより金属リチウムを用いない負極の設計空間が開かれ、研究グループは1980年3月31日に高速イオン伝導体陰極ファミリーに関する米国特許を出願した。

この陰極は、2019年の化学賞を受賞した他の2人の受賞者がその上に築いた基盤となった。1985年に旭化成の吉野彰がこれを、リチウムを同様にインターカレートできる石油コークス系炭素負極と組み合わせ、初の商業的に実用可能なリチウムイオン電池を生み出し、1991年から市場に出た。この化学反応は電極を分解するのではなくリチウムイオンを往復させるため、電池は数百回充電できる。そして今では携帯電話、ノートパソコン、電気自動車、再生可能エネルギーの貯蔵を支えている。ノーベル委員会はこれを、ワイヤレスで化石燃料を使わない社会の基盤と呼んだ。

硫化物ではなく酸化物の陰極：2ボルトではなく4ボルト

酸化物の高い電気陰性度が陰極電位を約4ボルトまで高め、金属リチウム負極の問題に何ら変更を加えることなく、硫化物設計に比べてエネルギー密度をほぼ2倍にした。

インターカレーション構造はイオンの挿入と脱離に耐えるため、陰極は消耗品ではなく再充電可能であり、電池は劣化するのではなくサイクルを繰り返す。

体系的な材料探索は理論に導かれていた。グッドイナフはまず結晶化学から酸化物の優位性を予測し、その後で無作為なスクリーニングではなくコバルト酸化物を試験した。

特許における低温電気化学的抽出法により、高温合成では到達できない組成が実現し、安定性の問題を製造方法へと転換した。

ある部品が故障したときは、その部品ではなく材料の分類を疑うべきである。発火は金属リチウムのせいにされたが、真の問題は陰極の化学にあった。それを変えれば、コンセプトは生き残る。

1985年の吉野の炭素負極セルはグッドイナフの陰極の上に直接築かれ、1991年に市場に到達した。リチウムイオン電池はその後、世界の携帯電子機器を動かし、長距離電気自動車を可能にし、太陽光と風力のエネルギーを貯蔵するに至った。2019年の化学賞は、電圧を2倍にした材料置換の基盤に対して、グッドイナフ、ウィッティンガム、吉野の3人に共同で授与された。材料置換に対するノーベル賞は稀である。