携帯電話からスマートウォッチ、ノートパソコンまで、私たちはバッテリー駆動のデバイスに囲まれています。今日、バッテリーは私たちのテクノロジーにおいて、固体でかさばる部品となっています。しかし、もしそれが可鍛性、柔軟性、さらには印刷可能になったらどうなるでしょうか？
このアイデアに基づき、スウェーデンの研究者たちは、様々な形状に成形できる流体電池を開発しました。4月11日にサイエンス誌に掲載された研究論文によると、この電池は、電池の主要な導電材料である電極を液体状に利用しています。この革新的なソフト構造は、将来の電池駆動技術の革新的な設計への道を開くものです。
「バッテリーはあらゆる電子機器の中で最大の部品です。現状では固体でかなりかさばります。しかし、柔らかく柔軟なバッテリーがあれば、設計上の制約はなくなります。全く異なる方法で電子機器に組み込み、ユーザーに合わせて調整することが可能です」と、本研究の共著者であるアイマン・ラフマヌディン氏は大学の声明で述べています。「その質感は歯磨き粉に少し似ています。例えば、この素材を3Dプリンターで使用すれば、好きな形にバッテリーを成形することができます。」
声明によると、柔らかく伸縮性のある電池を実現するためのこれまでの試みは、スライド接続などの機械的な特徴に頼ったり、加工時に環境に悪影響を与える希少材料を必要としたりしていた。ラーマヌディン氏らの成功の鍵は、電極を液体状に変換することだった。
この成果の重要性を理解するには、電池の仕組みを思い出すことが重要です。簡単に言うと、電気化学電池は2種類の金属、つまり電極、つまり陽極と陰極で構成されています。化学反応によって電子が陽極から陰極へと流れます。このプロセスは電気と呼ばれ、電子は移動する際に仕事をします。例えば電球や電子機器に電力を供給するなどです。電池の容量が大きいほど電気容量は大きくなりますが、電極は厚くなり、より剛性が高くなります。
「容量が剛性とは無関係であることを示すのは私たちが初めてです」と、リンショーピング大学有機エレクトロニクス研究所ソフトエレクトロニクスグループの研究リーダーでもあるラーマヌディン氏は語った。
声明によると、これまでの流体電極開発の試みは、液体金属に依存しており、液体金属は固化してしまうこともあった。これらの問題を回避するため、研究チームは共役ポリマーと呼ばれる導電性プラスチックと、製紙工程で発生する廃棄物であるリグニンを使用した。この電池は、元の長さの2倍に伸ばした状態でも500回以上の充電が可能だ。
さらに、「このバッテリーの材料は共役ポリマーとリグニンなので、原材料は豊富です。リグニンのような副産物をバッテリー材料などの高価値商品に再利用することで、より循環型のモデルに貢献できます。つまり、これは持続可能な代替手段なのです」と、本研究の筆頭著者であり、リンショーピング大学有機エレクトロニクス研究所のポスドク研究員であるモフセン・モハマディ氏は述べています。今後、研究チームはバッテリーの電圧向上を目指しています。
「このコンセプトは機能することを実証しましたが、性能はまだ向上させる必要があります。電圧は現在0.9ボルトです」とラーマヌディン氏は説明した。参考までに、一般的な単三電池は1.2～1.5ボルト、ほとんどのスマートフォンは3.7～4.2ボルトで動作する。「そこで、電圧を上げるために他の化合物の使用を検討します。」
この研究は文字通り型を破ることで、バッテリー駆動型デバイスの設計可能性のまったく新しい領域への扉を開きます。
