伸縮性のあるリチウムイオン電池が誕生

リチウムイオン電池に伸縮性を持たせる研究が、カリフォルニア大学バークレー校で行われました。新たに開発されたリチウムイオン電池は伸縮やねじれに耐えるだけでなく、自己修復も行うとのことです。

High-voltage water-scarce hydrogel electrolytes enable mechanically safe stretchable Li-ion batteries | Science Advances
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu3711

This Stretchable Battery Heals After Being Cut in Half - IEEE Spectrum
https://spectrum.ieee.org/stretchable-lithium-ion-battery

スマートフォン、ゲーム機、ロボット掃除機など、ありとあらゆる電子機器に再充電可能なリチウムイオン電池が搭載されていますが、ほとんどのリチウムイオン電池は湿気を防いで有毒かつ可燃性の電解液が漏れ出すのを防ぐため、硬いパッケージに密閉されています。こうりたリチウムイオン電池を柔らかいパッケージで包むという研究がいくつかのチームの下で行われています。

先行研究では、電解質にハイドロゲルを使用した伸縮性電池がいくつか開発されていました。ハイドロゲル電解質は湿気に対して強く、硬い材料を使わずとも密閉することができるため、伸縮性を備えることができます。しかし、これまで開発されたハイドロゲル電解質のリチウムイオン電池は比較的低い電圧でしか安定しないものが多く、有毒で高価なフッ素化合物に依存しているものもありました。

今回、カリフォルニア大学バークレー校のリーウェイ・リン氏らは、フッ素を含まないリチウム塩を用いた水分の少ないハイドロゲル電解質を設計し、高い伸縮性とイオン電導性を備えた水性ハイドロゲル・リチウムイオン電池を開発しました。

新しいリチウムイオン電池は、伸縮やねじれに耐えるだけでなく、可逆的な水素結合により、針で刺されたり、カミソリで真っ二つにされたりしても自己修復してデバイスに電力を供給し続けることができるのが特徴です。

実際にリチウムイオン電池を曲げたり伸ばしたりする様子は以下の動画で確認できます。

伸縮性のあるリチウムイオン電池を曲げ伸ばしする様子 - YouTube

また、新しいリチウムイオン電池は、3.11Vまで安定して電力を供給することが証明されています。これまでのハイドロゲル電池は1.23Vまでしか安定しなかったため、これは大きな進歩だと伝えられています。さらに、1カ月の間に500回の充放電を繰り返しても安定して作動し、受け取った電荷の平均95％を放電することができたとのことです。

研究チームの一員であるアンジュ・トゥール氏は「我々のバッテリーをスマートウォッチのリストバンドに組み込むことで、腕時計のバッテリー容量を倍増させることができ、1週間に1回、あるいはそれ以下の充電で済むようになるかもしれません」と述べました。

研究チームいわく、今回開発した電池のエネルギー密度は市販されているリチウムイオン電池の10分の1程度に過ぎないとのことですが、将来的にはエネルギー密度がさらに向上することが期待されています。

研究に携わったペイシェン・ヘ氏は「私たちが使用した多くの材料は、従来のリチウムイオン電池にはないものでした。私たちは、失敗した試験から教訓を学び、常に改善することによって、これらの課題を克服しました」と述べました。