現代の携帯電話の内部には、オンとオフを切り替えて電話機を機能させる数十億個のナノスケールのスイッチがある。トランジスタと呼ばれるこれらのスイッチは、1つの電池から供給される電気信号によって制御されている。複数の部品を1つの電池で動かすこの構成は、今日の技術にはうまく適合しているが、改善の余地はある。電池から部品へ信号が送られるたびに、その経路で一部の電力が失われる。各部品に専用の電池を組み合わせれば、エネルギー損失を最小限に抑え、電池寿命を最大化できるため、はるかに優れた構成となるだろう。しかし、現在のテクノロジーの世界では、電池はこの配置を可能にするほど小型ではない。少なくとも、まだそうではない。
現在、MIT リンカーン研究所と MIT 材料科学工学科は、水分解技術を用いるナノスケール水素電池の開発で前進を遂げている。研究者らは、これらの電池によって、より速い充電、より長い寿命、そしてエネルギーの無駄の少なさを実現することを目指している。さらに、これらの電池は室温で比較的容易に製造でき、独自の構造的ニーズに物理的に合わせることができる。
「研究所で直面している最大の問題の一つが電池です」と、リンカーン研究所の先端センサー・技術グループに所属し、本プロジェクトの主任研究者でもあるラウル・ウエドラオゴ氏は語る。「人間の髪の毛ほどの大きさまで極小化されたセンサーへの関心は非常に高いです。そうしたセンサーは作れますが、それほど小さな電池を見つけるのは容易ではありません。現在の電池は、コイン型、チューブ形状、あるいは薄型でも数センチメートル単位のものしかありません。もし任意の形状や構造に、安価な方法で独自の電池を形成できれば、非常に多くの用途への扉が開かれます。」
この電池は、周囲の空気中に存在する水分子と相互作用することで充電される。水分子が電池の反応性のある外側の金属部分に接触すると、水分子は構成要素、すなわち酸素分子1つと水素分子2つに分解される。水素分子は電池内部に閉じ込められ、使用される準備が整うまで貯蔵しておくことができる。この状態が電池の「充電」された状態である。放電するには、反応が逆方向に進む。水素分子は電池の反応性金属部分を通って戻り、周囲の空気中の酸素と結合する。
これまでに、研究者らは厚さ50ナノメートル、つまり人間の髪の毛の一本よりも薄い電池を作製している。また、電池の面積を、センチメートル単位の大きさから、ナノメートル単位の小ささまで拡大縮小できることも実証している。この拡大縮小能力により、電池はナノ・マイクロレベルでトランジスタの近くに、またはミリメートル・センチメートルレベルで部品やセンサーの近くに、容易に組み込むことができる。
「この技術の有用な特徴の一つは、酸化物層と金属層を非常に容易にナノメートル規模のカスタム形状にパターン化できることであり、特定の用途向けの複雑な電池パターンを容易に作製したり、フレキシブル基板上に堆積させたりすることが可能になります」と、本プロジェクトにも関わっている研究所の化学・マイクロシステム・ナノスケール技術グループのスタッフメンバー、アニー・ウェザーズ氏は語る。
この電池は、現在広く使用されている電池と比べて、2桁（100倍）高い電力密度も実証している。電力密度が高いとは、電池の体積あたりの電力出力が大きいことを意味する。
「このプロジェクトを成功させた要因は、私たちの誰も電池の専門家ではなかったことだと思います」とウエドラオゴ氏は語る。「外部の人が新しいものを見ることが必要な場合もあるのです。」
現在、水分解技術は大規模な産業需要向けの水素製造に用いられている。本プロジェクトは、この技術を電池の作製に応用する初の試みとなり、はるかに小さい規模で行われる。
本プロジェクトは、リンカーン研究所の技術局エネルギー・イニシアチブを通じて資金提供を受けており、現在、開発の第2段階に入っている。この段階には、電池のさらなる最適化とセンサーとの統合が含まれる。
