3カ月の実験で得られた驚くべき結果
カリフォルニア大学アーバイン校（UCI）の研究室で、博士課程の研究者Mya Le Thai氏は実験用電極の充放電を繰り返し、20万サイクルに到達させた。3カ月後、研究者らは容量や出力の低下を確認できず、ナノワイヤの破断も見つからなかった。UCIは研究成果がACS Energy Lettersに掲載された2016年4月20日に、発見を発表した。
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この素材は、金のナノワイヤ、二酸化マンガンの被膜、そしてプレキシガラスに似たゲル電解質を組み合わせたものだった。この耐久性は、根強い問題への解決策となる可能性を示した。電気エネルギーの蓄積に役立つ微細なワイヤは、繰り返し使ううちにひびが入る傾向がある。
この発見から、将来のノートパソコンのバッテリーは400年もつかもしれないという、目を引く主張も生まれた。この数字は、実験で得られたサイクル数を、想定した使用頻度に基づいて年数に換算したものだ。実際に達成されたのは、3カ月にわたる試験で20万サイクルに耐えた実験室の電極だった。
発表からほぼ10年がたった現在も、このナノワイヤの成果は実験室段階の概念実証にとどまっている。Thai氏はその後、博士号を取得し、電動輸送向けバッテリーの研究に移った。繊細なバッテリー素材を繰り返し使っても損傷させない方法につながる可能性を示したことから、この実験は今も注目を集めている。
薄いゲル層が実験をどう変えたか
ベトナム系米国人研究者のThai氏はナノワイヤを研究していた際、実験構造に薄いゲル被膜を加えてみた。試験が1万サイクルを超え、数日後には3万サイクルに達しても、電極は動作を続けた。最終的に試験は20万サイクルに到達した。
論文の上席著者で、当時UCI化学科長だったReginald Penner氏は、大学の2016年4月の発表で、この予想外の発見について説明した。
Myaは試行錯誤をしていて、構造全体を非常に薄いゲル層で覆い、サイクル試験を始めました」とPenner氏は述べた。「このゲルを使うだけで、容量を失うことなく何十万回もサイクルを繰り返せることを発見したのです
Penner氏は、同様の構造は通常5,000～7,000サイクルで故障するため、この結果は驚きだったと語った。その限界値と比べると、UCIの電極が達成した20万サイクルは約29～40倍に相当する。この比較は、Penner氏が言及した構造に対する改善度を示している。
偶然だったのは、ゲル処理が成功したことだ。その有効性を確かめるには継続的な試験が必要だった。Thai氏は数カ月にわたって電極のサイクルを続け、電気的性能や物理構造が劣化しないかを調べた。
ナノワイヤに保護が必要な理由
ナノワイヤは人間の髪の毛より数千倍も細い。電気をよく通し、サイズに対して表面積が大きいため、電池の電極を構成する素材として有望だ。電極は、電気化学反応を通じて電荷を蓄えたり放出したりする部分である。
充放電を繰り返すと、こうした構造に負荷がかかる。UCIによると、一般的なリチウムイオン電池の使用中、ナノワイヤは膨張し、もろくなることがある。その結果、ひびが入り、電極が効果的に機能するためにつながった状態を保つ必要のある素材が、分断されるおそれがある。
Thai氏の実験構造は主に3つの要素から成っていた。金のナノワイヤを芯とし、その周囲を二酸化マンガンで覆い、さらに全体をゲル電解質で包んだ。電解質は、イオンと呼ばれる荷電粒子が蓄電装置の中を移動するのを可能にする。
研究者らは、ゲルが金属酸化物を可塑化したと考えた。平たく言えば、被膜をより柔軟にし、ひびを生じさせずに動きに耐えられるようにした可能性がある。構造を保つことで、電極は繰り返しのサイクルを経ても性能を維持できた。
UCIによると、試験した電極は3カ月の実験後も、容量や出力の低下が確認されず、ナノワイヤの破断もなかった。容量は装置が蓄えられる電荷の量を示し、出力はエネルギーを供給する速さを表す。実用的な電池にはどちらも重要だ。
性能の数値が示すもの
この実験では、クーロン効率の平均が94～96％に達したとも報告された。クーロン効率は、充電時に与えた電荷に対し、放電時に取り出せる電荷の割合を比較する指標だ。94％であれば、100単位の電荷を供給したとき、約94単位を回収できたことを意味する。
容量維持率とクーロン効率は、性能の異なる側面を表す。容量維持率は、繰り返し使っても電極が蓄えられる量が低下しないかを追う指標だ。クーロン効率は、サイクル中に出入りする電荷を測る。電極は蓄電容量を維持しながら、受け取った量より少ない電荷しか返さないこともある。
スタンフォード大学の研究者らが2007年に開発したナノバッテリー構成は、先行して4万サイクルを達成していた。UCIの20万サイクルはその5倍にあたるが、両者は異なる構成の装置を使っている。そのため、結果を比較する際には設計や試験条件も考慮する必要がある。
ノートパソコンとの比較も印象的だ。一般的なノートパソコンのバッテリーでよく示される300～500サイクルに対し、20万サイクルは400～約667倍にあたる。これらの数字は実験が注目された理由を示す一方、商用化には適切な容量、素材、安全性、生産コストを備えた完全な電池が必要となる。
400年という推定の根拠
この推定では、ノートパソコンが2年間で1,000回、つまり年間500回の充電サイクルを行うと仮定している。20万サイクルを500で割ると400年になる。計算自体は単純だが、この年数は実験室での結果を外挿したものだ。
Thai氏の電極は、3カ月間の連続試験でサイクル数を達成した。日常使用されるバッテリーは、一部充電された状態で置かれる時間もあり、温度が変化する環境で動作し、ほかの部品と連携しなければならない。製品化するには、実際の利用者が直面する条件で試験する必要がある。
実用上の目標は、交換までの期間を延ばすことだ。ノートパソコンの所有者にとっては、コンピューターの耐用期間中、同じバッテリーをより長く使える可能性がある。自動車メーカーにとっては、交換が必要になるまで、より多くの充電と走行に耐えられる蓄電システムにつながる可能性がある。
研究者らに残された課題
UCIが2016年5月の続報で伝えたところによると、二酸化マンガンの被膜を理解するための研究が続いていた。ゲルが素材の塊状化を防いでいることは確認できたものの、素材そのものがどう変化するかは、なお調査中だった。
上席著者で化学科長だったPenner氏は、次に取り組むべき科学的課題について説明した。
「Myaは今、二酸化マンガン素材で何が起きているのかをより詳しく把握するため、さまざまな研究を進めています。ゲルが素材の塊状化を防ぐことは分かっていますが、残った素材が、ゲルがなかった場合に存在したはずの素材と異なるのかは分かっていません」とPenner氏は述べた。
この過程を理解することは、結果を再現可能にし、ほかの素材に応用するうえで重要だ。ゲルと被膜のどの特性が電極を保護するのか特定できれば、研究者らは繰り返しの充電に耐える構造を、より意図的に設計できる。
この研究は、メリーランド大学のNanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Centerと連携して行われた。資金は米エネルギー省の基礎エネルギー科学部門が提供した。
金のナノワイヤから実用的な電池へ
金は大規模生産においてコスト面の課題となる。研究者らは、より経済的な設計につながる可能性のある代替素材として、ニッケルなどを検討してきた。金属を置き換える場合も、できあがった電極が元の構造と同等の耐久性を保てるか確認する必要がある。
完全な商用電池には、長いサイクル寿命に加え、十分な蓄電量、実用的な出力、信頼できる安全性、手頃な生産工程が必要だ。UCIの成果が扱ったのは、実験用電極の特定の弱点、すなわち繰り返しのサイクルによる物理的損傷だった。この成果を製品化するには、ほかの要件も同時に満たさなければならない。
UCIは、コンピューター、スマートフォン、家電、自動車、宇宙船を応用先の候補に挙げた。それぞれが電池に異なる要件を課す。携帯電話には小型の電源が必要であり、車両には大きな出力を供給できる大規模システムが求められる。宇宙船には厳しい環境下での確実な動作が不可欠だ。
Thai氏はその後、米国のバッテリー技術企業Enevateで主任研究員となり、電動輸送向けの先進バッテリーに取り組んだ。また、セル間の熱伝播を遅らせる技術など、ほかの発明についても特許を申請している。熱伝播とは、故障したセルの熱が近くのセルへ広がる現象だ。
この研究に関する発表では、金のナノワイヤ技術の商用発売時期は明らかにされていない。Thai氏のその後の経歴は、当初の実験を超えて、耐久性や安全性の課題を含むバッテリー開発に携わり続けていることを示している。
発見に至る主な節目
この研究の経緯は、先行するナノバッテリーの成果、数カ月にわたる実験室でのサイクル試験、そして2016年のUCIによる2度の発表にまたがる。節目を並べて見ると、発見の時期と範囲が把握しやすくなる。
- 2007年：スタンフォード大学の研究者が開発した別構成のナノバッテリーが、報告によると4万サイクルを達成。
- UCIの実験中：ゲルで被覆したThai氏の電極は、1万、3万サイクルを超えた後、3カ月で20万サイクルに到達。
- 2016年4月20日：UCIが成果を発表し、研究結果がACS Energy Lettersに掲載。
- 2016年5月16日：UCIが続報を発表し、ゲルが二酸化マンガンに与える影響について研究が続いていると説明。
- 博士号取得後：Thai氏は産業界でバッテリー研究に携わり、Enevateの主任研究員に就任。
Thai氏は、電極の物理的安定性の向上と、耐久性の高い電池を実現できる可能性という観点から成果を説明した。研究を主導した博士課程の研究者として、次のように述べた。
被覆した電極は形状をはるかによく保ち、より信頼性の高い選択肢になります」とThai氏は述べた。「この研究は、ナノワイヤを基盤とする電池電極が長寿命を実現でき、こうした電池を現実のものにできることを示しています
要点
- Mya Le Thai氏がUCIで開発した電極は、3カ月で20万サイクルを完了し、容量や出力の低下、ナノワイヤの破断は確認されなかった。
- 設計には金のナノワイヤ、二酸化マンガン、ひび割れを防ぐ効果があると研究者らが考えたゲル電解質が使われた。
- 研究成果は2016年4月20日にACS Energy Lettersに掲載された。
- 400年という推定は年間500サイクルを仮定したもので、実験室での試験期間は3カ月だった。
- 金のコストと、完全な電池に求められる要件は、商用化に向けた重要課題として残っている。
- Thai氏はその後、Enevateの主任研究員となり、電動輸送向けバッテリーに取り組んだ。
