医薬品から「新しい金」へ、リチウムはいかにして登場したのか？

制作：中国科学普及協会

著者: 地球の重力

プロデューサー: 中国科学博覧会

21 世紀以降、リチウムは私たちの生活においてますます重要な役割を果たしてきました。言うまでもなく、遠く離れた場所に住む多くの人々は携帯電話のヘビーユーザーになっており、毎日充電することは基本的な操作となっています。特に南部では、今でも多くの人が電動ロバに乗って仕事場まで行き来しています。青信号が点灯するたびに、電気ロバの密集した列が、南部に到着したばかりの北部の人々を怖がらせ、動けなくさせます。もちろん、多くの人が車を購入する際に電気自動車を検討しますが、これらの電気自動車の電源もリチウム電池パワーパックです。

中国・台湾の路上にいる「電気ロバ」。桂林、柳州、南寧などの都市でもこの感覚を体験できます。 「電気ロバ」の大群によって横断歩道の真ん中に閉じ込められたときの感覚は忘れられない。

(画像出典: Veer)

しかし実際には、リチウムが初めて発見された19世紀から20世紀初頭には、それは単なる無名の薬用鉱物にすぎず、医師が不適切に処方すると患者を中毒させる可能性のある種類の薬物でした。リチウムは、医薬品から21世紀に輝く「新たな金」に至るまで、紆余曲折の歴史を歩んできた。

リチウムのデビュー

1800年、ブラジルの鉱物学者ホセ・アンドラダはスウェーデンを旅行中に、ガラスのような光沢のある美しい透明な鉱物を発見しました。燃やすと強い真紅の炎を発します。

1817年、スウェーデンの化学者ヨハン・アウグスト・アフヴィソンは鉱物の研究を続け、鉱物中にカリウムやナトリウムに似た新しいアルカリ元素を発見し、それをリチオン（ギリシャ語の「石」を意味するλιθoςの英訳）と名付けました。これがリチウムの伝説的な歴史の始まりでした。この美しい鉱物は後にペタライトと名付けられました。

ペタライト

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リチウムは火の中で赤紫色の光を発し、花火にも使われています。

(画像出典: Wikipedia)

科学者が電気分解によってリチウム元素を精製したのは 1821 年になってからでした。リチウムは軽く（密度は松の木と同程度）、柔らかい金属です。ナトリウムと同様に（中学校の化学を学んだ人なら、アルカリ金属族全体の性質が非常に似ていることを知っているはずです）、ナイフで切断することができ、切りたての表面は金属独特の銀白色です。水や空気に触れると容易に化学反応を起こします。したがって、リチウム元素は自然界には存在せず、主に化合物の形で存在します。

石油に貯蔵されたリチウム

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当初、人々はこの元素を薬として使用していました。1850 年代の実験で、医師はリチウムが腎臓から分離された尿酸結晶を溶解できることを発見し、19 世紀半ばに痛風患者のための薬としてリチウムを作ろうとし始めました。当時、人間のうつ病や躁病は過剰な尿酸に関係しているのではないかという説があり、人々はこれらの病気の治療にリチウムを使い始めました。しかし、当時の医師の中には熟練度が低かったため、リチウム製剤の投与量を正確に把握できず、患者にリチウム中毒を引き起こす可能性がありました。そのため、1949年にリチウムの販売は一時禁止されました。

しかし、販売が禁止された年からの継続的な科学的研究により、リチウム塩は確かに双極性障害などの精神疾患を治療し、患者の自殺リスクをある程度軽減できることが証明されました。そのため、現代では、関連疾患を治療する際に、医師は炭酸リチウムなどのリチウム含有薬も患者に処方するようになります。

現代の炭酸リチウムカプセル

(画像出典: Wikipedia)

産業用アプリケーション、新興

リチウムは医薬品として製造された後、最初に大規模に工業的に利用されたのは潤滑油の製造でした。

第二次世界大戦中および戦後、航空機の使用は劇的に増加しました。航空機のベアリングには一般的に潤滑油が必要であることは誰もが知っています。そうしないと、ベアリングが簡単に摩耗して破損してしまいます。しかし、第二次世界大戦以降、航空機の性能はますます向上し、ベアリングの温度もますます高くなりました。従来の潤滑剤ではもはや需要を満たすことができません。

この頃、リチウムベースの潤滑剤が開発されました。他の潤滑剤に比べて融点がはるかに高く、腐食性も非常に低いため、工業分野で急速に普及しました。現在でも多くの自動車ではステアリン酸リチウムを原料とした潤滑剤が使用されています。たとえ車が廃車になっても、潤滑油はまだ使えるそうです。

リチウム系潤滑剤（画像出典：Wikipedia）

さらに、リチウムは水素爆弾にも使用されます。水酸化リチウム（Li-7）は加圧水型原子炉の優れた冷却材として使用できます。金属リチウムとその水素化物は高エネルギーロケットの推進剤として使用できます。軍事および原子力産業の需要により、リチウムの最初の大規模な工業生産が実現し、リチウムは極めて重要な戦略物資となりました。

人生に入り、多くの「ファン」を獲得する

その後、リチウムの生産は民生用へと移行し始めました。科学者たちはまた、リチウムとリチウム化合物の新しい用途を絶えず研究し、発見しています。

例えば、ガラスやセラミック業界ではフラックスとして使用することができ、二酸化ケイ素の融点を効果的に下げ、ガラスやセラミックの釉薬の耐熱性と耐摩耗性を向上させることができます。製錬業界ではフラックスとしても使用でき、吸着剤や脱硫剤としても使用できます。航空宇宙分野では、リチウムを添加したアルミニウム合金は、より軽く、より硬くすることができます...リチウムが「工業用MSG」「世界を前進させる金属」と呼ばれるのは、まさにこのような幅広い用途があるからです。

しかし、リチウムの本当の大規模利用と新たな戦略的レベルへの推進は、リチウムイオン電池の広範な応用まで待たなければならないだろう。

リチウムイオン電池の研究開発は実は1960年代に始まりましたが、リチウムイオン電池が徐々に成熟したのは2000年頃になってからでした。この困難な研究プロセスは本にまとめることもできます。リチウムイオン電池が広く使用されるようになったきっかけは、携帯電話や電気自動車など、一連の電子機器の爆発的な成長にあると考えられます。しかし、リチウムイオン電池のような高エネルギー密度電池がなければ、電子機器はこれほど急速に発展することはできなかったでしょう。これは相互の成果とみなすことができます。

携帯電話やカメラなどに使用されていた初期のリチウムイオン電池は、すべて取り外し可能な電池でした。携帯電話の取り外し不可能なバッテリーは、パワーバンク業界に大きな発展をもたらした。

(画像出典: Wikipedia)

18650 リチウム電池 (右)。これはおそらく、現在最も人気のあるリチウム電池です。電気自動車のパワーパックを分解すると、円筒形の電池が詰まっていることがわかります。

(画像出典: Wikipedia)

このような状況の中で、リチウムが私たち人類にとってどれほど重要であるかが、改めて認識されるようになりました。昔はリチウムがなくても生活できましたが、今ではリチウムなしでは一歩も歩けません。そのため、「21世紀の新しい金」、「21世紀のエネルギー金属」、「新エネルギー時代の石油」など、さまざまな称号が付けられています。

つまり、工業生産から日常生活に至るまで、リチウムの応用は私たちの世界を徐々に変えつつあります。私たちは今、リチウムなしでは生きていけない世界に住んでいます。