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何も設定をいじっていないのでそういう上下の波かなとも思っております

リチウムイオン電池からコバルトを追放する。その夢に、東北大学が物理学の深淵から答えを引き上げた。

500回充放電しても、劣化しない

東北大学 材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の研究チームが、安価なマンガンを主体とした正極材料で驚異的な成果を達成した。500回の充放電サイクル後も容量低下ゼロ ──これがその数字だ。2026年2月11日、米国化学会誌『Journal of the American Chemical Society（JACS）』に掲載された論文がその全貌を明らかにしている。

「ゼロ」という数字の重みを理解するには、少し前提が要る。マンガンを使った正極は数十年前から研究されてきたが、充放電を繰り返すと急速に容量が落ちる。数十サイクルで使い物にならなくなるものも珍しくなかった。それが500回でゼロ。桁が違う、というより次元が違う。

この成果を支えたのが「界面軌道工学」（interfacial orbital engineering）という、聞き慣れない手法だ。

コバルトの呪縛──価格は1年で2.6倍に

なぜマンガンなのか。その問いに答えるには、いま電池業界が直面しているコバルト問題を避けて通れない。

現在の高性能リチウムイオン電池は正極にコバルトを必要とする。だがコバルトは高価で、供給も不安定だ。2025年2月、世界の産出量の約4分の3を占めるコンゴ民主共和国（DRC）が輸出禁止措置に踏み切り、その後も年間9万6,000トンの輸出枠が設定された。この供給制限の影響で、コバルト価格は2026年2月時点で1トンあたり約5万6,000ドル（約880万円）前後まで高騰し、前年同時期から約2.6倍に跳ね上がっている。

価格だけではない。DRCの採掘現場では倫理的に深刻な問題が繰り返し指摘されてきた。環境のためにEVを普及させながら、その心臓部であるバッテリーの製造過程で別の問題を生んでいる。この矛盾は業界全体の宿痾であり、コバルトを排除できるかどうかは技術的課題であると同時に、倫理的な試金石でもある。

マンガンは地球上に豊富に存在し、安価で、毒性も低い。コバルトの「代役」としては理想的な素材だ。ただし一つだけ、致命的な弱点があった。

30年の壁──「ヤーン・テラー効果」という破壊衝動

マンガンを正極に使うと、充放電のたびに結晶構造が内部から壊れていく。原因は「ヤーン・テラー効果」と呼ばれる量子力学的な現象だ。

ヤーン・テラー効果とは、特定の電子配置を持つ金属イオンが、自身のエネルギーを安定させるために結晶構造を自発的に歪ませる現象。マンガンイオン（Mn3+）はこの効果が特に強く、充放電に伴って激しい構造変形を引き起こす。

たとえるなら、満員電車で無理な姿勢を強いられた乗客が、少しでも楽になろうと体を動かした結果、周囲の乗客を押しのけてしまう状況に近い。個々のマンガンイオンの微小な歪みが「協同的ヤーン・テラー歪み」として結晶全体に波及し、正極の微細構造を破壊してしまう。

これまでの対策は、正極の表面にコーティングを施す、別の元素を少量混ぜ込む（ドーピング）といった「対症療法」が主流だった。歪みの発生そのものを止めることはできず、劣化を遅らせるのが精一杯だったのだ。

30年にわたって研究者たちの前に立ちはだかってきたこの壁を、東北大のチームは根本から崩した。

歯車のロック──電子を「動けなくする」逆転の発想

研究チームが編み出した「界面軌道工学」の核心は、ヤーン・テラー歪みを「抑える」のではなく、電子同士を互いに打ち消し合わせることで構造変形そのものを「中和」した点にある。

具体的には、正極材料の内部に「共線」と「非共線」という異なる原子配列の界面を意図的に構築した。この非共線界面で「軌道の幾何学的フラストレーション」を発生させることに成功している。

物理学における「フラストレーション」とは、三角形に組み合わさった3つの歯車を想像するとわかりやすい。1つ目を右に回せば2つ目は左に回る。しかし3つ目は右にも左にも回れず、全体がロックされる。個々の要素は動こうとしているのに、幾何学的な配置のせいで誰も動けなくなる状態だ。

研究チームはこの原理をマンガンイオンの電子軌道に適用した。非共線界面という特殊な環境下で、隣り合う電子がそれぞれエネルギーを最小化しようとすると空間的な矛盾が生じるように原子を配置したのだ。論文のデータによれば、非共線構造でのeg軌道の分裂エネルギーは共線構造の1.12eVに対し、わずか 0.24eV。約5分の1にまで激減している。軌道の縮退がほぼ回復し、歪みの伝播が根元から断ち切られた。

病気の症状を薬で抑え込むのではなく、原因そのものを無害化してしまった。表現としては大げさに聞こえるかもしれないが、30年間「不可能」とされてきた問題の解決法としては、むしろ控えめな言い方だろう。

5年越しの到達点──2021年の布石

実はこの成果には伏線がある。同じ研究グループの中心メンバー（Xiaohui Zhu、Lin Gu、Hui Xiaら）は、2021年に学術誌『Nature Sustainability』で、スピネル構造と層状構造を組み合わせたLiMnO2正極の軌道秩序化に関する研究を発表していた。界面における電子軌道の配向制御でヤーン・テラー歪みを抑制するという基本思想は、すでにこの時点で芽を出していた。

今回のJACS論文は、その基礎的な知見を「非共線界面」という新しい設計原理へと昇華させ、500サイクル劣化ゼロという実証データで裏打ちしたものだ。5年間の積み重ねが、一つの到達点に結実している。

電池を超える射程──ナトリウムイオンへの応用

この研究のインパクトは「良いマンガン電池ができた」という話にとどまらない。

WPI-AIMRのハオ・リー特別教授は、マンガンベースの酸化物がナトリウムイオン電池の正極材料としても最も商業的に有望だと述べている。リチウムすら使わず、海水に豊富なナトリウムで動く次世代電池にも、この設計思想はそのまま応用できる。

さらに研究チームは、今回の界面軌道工学が「歪み耐性のあるエネルギー材料」を開発するための新たな普遍的パラダイムだと位置づけている。電気化学の領域に固体物理学の概念を持ち込んだこの手法は、マンガンに限らず、ヤーン・テラー効果を示すあらゆる電極材料に展開できる可能性がある。

EVの「バッテリー不安」は過去の話になるか

コバルトフリーで安価、かつ500サイクル劣化ゼロ。この組み合わせが実用化されれば、EVのバッテリーパックは大幅にコストダウンし、長年使っても航続距離が落ちない信頼性が手に入る。中古EV市場のリセールバリューにも直結する話だ。

送電網規模の大容量蓄電設備にとって