新たに開発された曲がる電池は、電力供給を途切れさせることなく、伸びたりねじれたりすることができる。
曲げられる電子機器の用途には、まさにこのような電池が必要とされている。今日の電子機器業界では、折りたたみやロール式のスクリーンを備えたコンピューターやスマートフォンへの注目が高まっている。スマート衣料は、ウェアラブルな超小型デバイスやセンサーを使い、例えば身体機能を監視することなどに活用されている。
しかし、これらのデバイスはいずれもエネルギー源を必要としており、通常はリチウムイオン電池が用いられている。残念ながら、市販の電池は一般に重くて硬いため、基本的にフレキシブルな電子機器や繊維製品への応用には向いていない。
今回の新しい電池の試作品を特別なものにしているのは、その電解質である。電解質とは、電池の充電時や放電時にリチウムイオンが移動する電池内の部分を指す。筆頭著者であり、ETHチューリッヒの博士課程学生であるXi Chen氏が、この電解質を発見した。
（クレジット：Niederberger Group, ETH Zurich）
市販の電池の設計に倣い、この新しいタイプの電池はサンドイッチのように層状に構築されている。しかし、電池全体を曲げられて伸縮可能な状態に保つためにフレキシブルな部材を用いたのは、今回が初めてである。多機能材料の教授であり、試作品の電池を開発したチームを率いるMarkus Niederberger氏は、「これまでのところ、リチウムイオン電池の製造において、私たちほど体系的に専らフレキシブルな部材を用いた者はいない」と述べている。
負極と正極の2つの集電体は、導電性のカーボンを含み、外殻としての役割も果たす曲げられるポリマー複合材で構成されている。研究者らは、この複合材の内側表面に、マイクロメートルサイズの銀フレークを薄く塗布した。フレークは屋根瓦のように重なり合っているため、エラストマーが伸ばされてもフレーク同士の接触が失われることはない。これにより、集電体は大きく伸ばされた場合でも導電性が保証される。また、万が一銀フレーク同士の接触が失われた場合でも、カーボンを含む複合材を通じて電流は流れ続けるが、その際の導電性はより弱くなる。
研究者らは、マスクを用いて、銀層の正確に定義された領域に負極と正極の粉末を吹き付けた。正極はリチウムマンガン酸化物で構成され、負極は酸化バナジウムである。
最終段階では、科学者らが、電極を塗布した2つの集電体を、額縁のような形状の隔壁層で仕切って重ね合わせ、その額の隙間に電解質ゲルを充填した。
Niederberger氏は、このゲルが市販の電解質よりも環境に優しいと強調している。「今日の電池の液体電解質は可燃性であり、有毒である」。これに対し、Chen氏が開発したゲル電解質は、リチウム塩を高濃度に含む水を含有している。これにより、電池の充電時や放電時に正極と負極の間でリチウムイオンの移動が促進されるだけでなく、水が電気化学的に分解されることも防がれる。
科学者らは、試作品の各部品を接着剤で接合した。「この電池を商業化しようとすれば、より長期間にわたって密閉性を保つ別の工程を見つける必要があるだろう」とNiederberger氏は語る。
このような電池の用途は日増しに広がっていると研究者らは述べている。有名な携帯電話メーカーは、折りたためるスクリーンを備えたデバイスの開発で競い合っている。その他の可能性としては、コンピューター、スマートウォッチ、タブレット向けのロール式ディスプレイや、曲げられる電子機器を組み込んだ機能性繊維などがあり、そのいずれにもフレキシブルな電源が必要である。
「例えば、この電池を衣類に直接縫い込むこともできるだろう」とNiederberger氏は語る。万が一電池から液漏れが起きた場合でも、漏れ出た液体が損害を与えないようにすることが重要である。この点において、同チームの電解質は大きな利点をもたらす。
Niederberger氏は、商業化を検討する前に、フレキシブル電池を最適化するためにはさらなる研究が必要だと強調している。とりわけ、チームは保持できる電極材料の量を増やさなければならない。
