本当はちょっと危険なリチウムイオン電池を固形材料で安全化

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リチウムイオン電池は、現在さまざまなデバイスで使われている。ノートPC、スマートフォン、デジカメなどだ。リチウムイオン電池は、小さいサイズでも蓄電できる容量が大きいというメリットがあるが、いっぽうでちょっと危険性も持っている。過充電や高温になったときに発火したり破裂してしまうのだ。

この危険性をなくすことができれば、リチウムイオン電池の使い勝手はさらに向上するため、世界各国でこのデメリットを改善するための研究が行われているが、スイス連邦工科大学チューリッヒ校(ETHチューリッヒ)の研究チームが、すべて固体の素材で作ることで、発火しないリチウムイオン電池を開発した。同校のウェブサイトで紹介されている。

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source:https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2016/08/all-solid-state-lithium-ion-batteries.html

多孔質の表面がカギ?

一般的なリチウムイオン電池では、プラスとマイナスの電極は固体の素材でできているものの、その電極のあいだの電解質は液体またはジェル状のものになっている。過充電など、適切じゃない方法で充電したり、直射日光のあたるところに放置したりすると、その液体が発火したり、ジェルが膨張して破裂したりするのだ。

しかし、こういった事故は、電極も電解質も固体の素材で作られたバッテリーでは起こらない。それゆえに固体のバッテリーは世界中で研究されている。

固体バッテリーの開発において、大きな目標のひとつは、電子が極力少ない抵抗で電極と電解質のなかを循環できるようにすることだという。ETHの研究者も、その電極と電解質の境界面の改善を行った。

研究チームは、固体の電解質として働く、リチウムを含んだ化合物(リチウム・ガーネット)の層をサンドイッチにした構造のバッテリーを製作した。リチウムガーネットは、リチウムイオンの伝導性がもっとも高い物質のひとつだ。

「製作している最中に、わたしたちは、固体の電解質の表面が多孔質になっていくことを確認しました」と研究者のひとりJan van den Broek氏はいう。そして、研究チームは、マイナス極の素材には、細かい穴に染みこんでいくことができる粘性のフォームを採用した。その多孔性を利用して、マイナス極と固体電解質との接触面積を大幅に増やすことができたのだ。

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source:https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2016/08/all-solid-state-lithium-ion-batteries.html

フィルム状のバッテリーも可能に

その結果、バッテリーは摂氏100度にまで耐えられるようになったという。液体やジェルの電解質を持つバッテリーでは不可能な温度だ。あわせてバッテリーはより急速な充電が可能になった。

そのように作られたバッテリーは、常温域で使えるのはもちろんだが、現在開発中の状態では、摂氏95度かそれ以上でもっと効率よく働くという。リチウムイオンがより動きやすくなるというのだ。

この特性を生かせば、産業設備と合体させてバッテリーを使用し、廃熱を利用して発電した電力を貯めておいて、必要なときに電力を供給するような使いかたもやりやすくなるという。

また、この完全に固体のリチウムイオン電池を実現したことで、非常に薄いフィルム状のバッテリーを作ることも可能になる。たとえばシリコンのチップの上に直接載せることができるようなバッテリーも作ることができるのだ。

「そのような薄いフィルム状のバッテリーができれば、ポータブル電子機器のエネルギー供給においては革命的な出来事になるでしょう」とJennifer Rupp教授はいう。

一般ユーザーはあまり意識していないかもしれないが、リチウムイオン電池は、上記のようなリスクがあるため、意外とデリケートな扱いが要求され、飛行機の機内に持ち込む容量が制限されていたりする。発火、破裂のリスクが大幅に少なくなれば、使い勝手はさらに向上するはずだ。

また、ポータブル電子デバイスにおいては、電池の占める容積がばかにならない。これもフィルム状の電池が実現したら大きくデザインが変わるだろう。リチウム電池のさらなる進化に期待したい。

【参考・画像】

※ Solid batteries improve safety - ETH Zurich