環境に優しい電気自動車の皮肉な点は、膨大な量の電子廃棄物を生み出すことです。これまで、電気自動車のバッテリーをリサイクルするための取り組みは、ほとんどが高額で化学的に有毒であり、定着していません。しかし、MITの有望なブレークスルーにより、この状況は間もなく変わるかもしれません。
8月28日にNature Chemistry誌に掲載された論文で、研究者らは有機溶媒に容易に溶解する新しいタイプの自己組織化材料について報告している。この材料は、大手EVメーカーが競って実用化を目指している固体電池セルの電解質として十分に機能する。注目すべきは、このプロセスはEVバッテリーのリサイクルを困難にする厳しい化学的・熱的条件を必要としないことで、大規模なバッテリーリサイクルへの有望な可能性を秘めていると研究者らは述べている。
「私たちのアプローチは、リサイクルしやすい材料から始めて、それをバッテリーに適合させる方法を見つけることです」と、本研究の筆頭著者であり、スタンフォード大学の材料科学者である長幸雄氏はMITニュースに語った。「最初からリサイクル性を考慮してバッテリーを設計するというアプローチは、新しいものです。」
実際の魔法の起源
チョー氏によると、この「リサイクル優先」のアプローチは、ハリー・ポッターのワンシーンからインスピレーションを得たという。そのシーンでは、ダンブルドア教授が魔法のように手をひらりと動かして古い家を修理する。
EVバッテリーでこの魔法のような現象を再現するため、チョー氏と彼の同僚たちは、バッテリーの各部品の機能を詳しく調べました。その結果、最も複雑でありながら、最も基本的な部品である電解質が、正極と負極の間でリチウムイオンを輸送する役割を担っていることがわかりました。また、電解質は可燃性が高く、分解すると有毒で管理が困難な廃棄物となるため、リサイクルの観点からも電解質に焦点を当てることは理にかなっています。
研究チームは「魔法の」電解質として、水中で自己組織化し、驚くべきことにケブラーの化学構造と安定性を模倣する分子群であるアラミド両親媒性化合物（AA）を選択しました。そして、各分子の一端に、リチウムイオン伝導性を持つポリエチレングリコール（PEG）を結合させました。
研究チームがこの分子システムを水にさらすと、それが表面でイオンを運ぶことができるナノリボン構造、つまり機能する電解質に自己組織化することを発見しました。
魔法の素材で魔法の電池を作れますか？
次のステップは、この材料が実際の電池内で適切に機能することを確認することでした。研究チームはまず、この材料を電池の製造と動作に伴うストレスにさらす実験を行いました。ナノリボンはこの品質検査に見事合格しました。
次に、彼らは実際の電池によく使われる材料、すなわち正極にリン酸鉄リチウム、負極にチタン酸リチウムを用いて固体電池セルを作製した。もちろん、電解質は研究チームが開発した新しい魔法の材料で作られた。
この試験では、結果はまちまちでした。ナノリボンはリチウムイオンを電極間でうまく移動させたものの、急速充放電中にイオンが時折緩衝作用を示すことが研究者らの報告で明らかになりました。
研究チームはこの段階をさらなる調査の対象として、バッテリーセルを有機溶剤の中に落としたところ、水に溶けた「綿菓子」のように溶けたとチョー氏は振り返った。
魔法で全てを解決できるわけではない
「この材料に関するすべての問題を解決したとは言いたくありません」とチョ氏は認めた。概念実証では有望な結果が示されたものの、バッテリーの性能は業界標準をはるかに下回っていたとチョ氏は述べた。
とはいえ、研究者たちが近い将来この材料について思い描いているのは、この材料を1層か2層に統合した電解質であり、必ずしもバッテリー全体ではないということです。たとえバッテリーのごく一部であっても、この材料で作られたものなら、容易にリサイクルプロセスを開始できるとチョー氏は説明しました。
賭け金は大きい。EVの販売台数は伸び続けている。しかし、リチウムの供給量は伸び悩んでいることは周知の事実だ。EV業界がこの素材に関心を示せば、リチウム廃棄物の大規模リサイクルの新たな機会が生まれる可能性がある。しかし、チームはこの投資が本当に価値があることを証明しなければならない。早ければ早いほど良い。
訂正：この記事の以前のバージョンでは、バッテリーセルの負極を「電極」と誤って記載していましたが、「陽極」とすべきでした。
