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元素

リチウム Lithium -リチウム電池から医薬品まで

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いま最も多く使われているリチウムイオン電池の主成分であるリチウム。みなさんが持っている携帯電話やパソコンなど、様々な電子機器のバッテリーとして使われています。

 

リチウムの基本物性データ

分類 アルカリ金属、レアメタル
原子番号・原子量 3 (6.941)
電子配置 2s1
密度 534kg/m3
融点 180.54℃
沸点 1347℃
硬度 0.6
色・形状 銀白色・固体
存在度 地球 13ppm、宇宙57.1
クラーク数 0.006%
発見者 ヨアン・オーガスト・アルフェドソン(1817年)
主な同位体  6Li (7.59%), 7Li (92.41%)
用途例 軽量合金(Li-M)、うつ病治療薬(LiCO3)、リチウム電池、リチウムイオン電池(LiPF6)、宇宙船内部の空気浄化(LiOH)、ガラスの融点降下剤(Li)
前後の元素 ヘリウムリチウムベリリウム

最も軽い金属である元素

リチウムは1817年にスウェーデンのアルフェドソンにより、ペタル石の中から発見されました。

鉱物界に広く存在する元素であるという意味で、ギリシャ語のlithos(石という意味)にちなんで命名されました。

銀白色で軟らかいリチウムは、一番軽いアルカリ金属元素であり、すべての金属の中で最も軽い元素です。

リチウム単体

リチウム単体

存在量は、地球上ではナトリウムの500分の1程度であり、宇宙でもケイ素の約1000分の1しかない貴重な金属です。特に日本国内にはリチウム資源がないことから、安定供給に不安があります。しかし、海水には0.17ppmのリチウムが含まれており、海水からのリチウム採取が研究されています。

 

ヨアン・オーガスト・アルフェドソン

Johan August Arfwedson

Johan August Arfwedson

1792-1841年。スウェーデンの化学者。リチウム・アルミニウムケイ酸塩であるペダル石からリチウムを新元素として発見した。当時彼は、フランスの著名な化学者ベルトレのもとで働いていた若い研究者であった。

 

軽い合金であるリチウム合金

リチウムは単体では非常に軟らかく、密度も水の半分程度しかありません。そのため、リチウム自体は金属材料として優れているはずなのですが、実際には金属材料として使うことができません。単体では水と激しく反応しますし、空気中でも窒素と反応して窒化リチウムになり、真っ黒に変色するからです。

 

Lithium_element

油の中で浮くリチウム(出典:wikipedia)

物質 密度(単位: g/cm3 = 103kg/m3
リチウム 0.53
1.00
マグネシウム 1.75
アルミニウム 2.70
19.3

表:リチウムといろいろなものの密度

しかし、別の金属に少量添加し、合金とすることで、リチウムのよい性質を活かすことができます。例えば、アルミニウムに数%添加したアルミニウムーリチウム合金は、非常に軽く肩痛め航空機材として使われています(1%のリチウムを添加するたびに剛性は約6%上昇し、密度は約3%低下する)。

また、アルミニウムよりも軽い金属マグネシウムにリチウムを添加した、マグネシウム―リチウム合金も非常に軽く強い素材と古くから知られています。最近までその加工の困難さによりあまり利用されていませんでした。しかし、2013年NECはノートパソコンに本合金を用いることにより、当時世界最軽量のパソコンの開発に成功しています。

NECのノートパソコン「LaVie(ラヴィ)Z」画面が13.3インチで重さが875gしかない。

NECのノートパソコン「LaVie(ラヴィ)Z」画面が13.3インチで重さが875gしかない。

 

モバイル製品に欠かせないリチウムイオン電池

テクノロジーの発達によって、電子機器は小さく、持ち運びしやくすなる一方です。電池もこれに対応して、軽くて大容量のものが求められて来ました。

大容量で軽量な電池として例えば、カメラの電池などに使われているリチウム電池が知られていました。これを二次電池*にしようと試みましたが、金属リチウムを使っていたため発火事故が相次ぎ、断念しました。

しかし、1991年に初めて実用化された二次電池であるリチウムイオン電池は、これを克服しました。旭化成の吉野彰氏よって開発され、ソニーの西美緒氏らによって実用化された新しい電池です。

リチウムイオン電池は金属リチウムそのものを使っているわけではなく、リチウムイオンが正極と負極の間を移動する電池です。ニッカド(Ni–Cd)電池やニッケル水素(Ni–H)電池などに比べても軽量で大容量であり、さらに安全性も高く、現在ほとんどの携帯電話やノートパソコンに用いられて、モバイル製品に欠かせない電池であるといえます。

 

二次電池の他に質量辺りの容量比較(出典:ラピスセミコンダクタ 半導体)

二次電池の他に質量辺りの容量比較(出典:ラピスセミコンダクタ 半導体)

 

リチウムイオン二次電池のしくみ(出典:MONOist(モノイスト))

リチウムイオン二次電池のしくみ(出典:MONOist(モノイスト))

 

一方で、2006年にリチウムイオン電池の発火事故*が相次ぎ、日本が世界シェアの7割を誇るリチウムイオン電池の安全性の基準が見直されています。2007年以降も年に1-2度程度の事故によるリコール等が発生しており、このことが欠かせない技術であるにも関わらず、ノーベル賞を取れない原因であるとも噂されています。

 

薬にリチウムが入っている?

リチウムの用途は、電池や合金の材料としてだけではありません。実は、薬にも使われているのです。特に炭酸リチウム(Li2CO3)は、躁うつ病に有効な治療薬です。作用機序についてはまだ解明されていませんが、細胞内情報伝達物質(イノシトール−3ーリン酸)の量を上昇させる自発運動抑制作用などが明らかにされています。

炭酸リチウム(出典:田辺三菱製薬)

炭酸リチウム(出典:田辺三菱製薬)

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  • 金属リチウムを水と反応させてみた

 

 

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Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院教授。専門は有機化学。主に有機合成化学。分子レベルでモノを自由自在につくる、最小の構造物設計の匠となるため分子設計化学を確立したいと考えている。趣味は旅行(日本は全県制覇、海外はまだ20カ国ほど)、ドライブ、そしてすべての化学情報をインターネットで発信できるポータルサイトを作ること。

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