生体の細胞膜を参考にしたバッテリーで充電がスピードアップする?

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source:https://news.osu.edu/news/2016/08/23/battbrane/

 

電気自動車は走行中には温室効果ガスを出さないため、エンジンを使った自動車よりクリーンだといわれている。しかし、その普及のためには、航続距離が限られること、そして再充電に時間がかかることが大きな課題だ。その問題を改善する新たな研究が発表された。ユニークなことに、これもまた生体の細胞膜から発想を得た技術を用いている。

 

フル充電に8時間が必要

これはオハイオ州立大学の研究チームによる発表だ。同大学のサイトで発表されている。研究の核心は、充電池において、使っていないときの自然放電を防ぐとともに、従来よりも速い充電を可能にするプラスティックの薄い膜を開発したというものだ。

彼らの研究によれば、現在、電気自動車の充電限界は、およそ1分あたり走行距離0.4マイル分だ(※これは家庭用などの一般的な充電器の話で、急速充電器は除いていると思われる)。そして、高性能な電気自動車ならば約200マイルの走行が可能だが、そのためには約8時間の充電が必要だ。この充電時間を短縮したいというのが、同研究チームのねらいだ。

研究チームのVishnu-Baba Sundaresan助教授は、既存のタイプのバッテリーを使うかぎり、もはやパフォーマンスの限界に達しているという。「過去50年あまりの研究は、バッテリーの容量を上げるための、電極の化学的な進歩に的を絞ったものでした。しかし、もはや容量の向上は、コストと急速な充電、放電の限界にまで来ています。もうリチウムイオン電池の化学の限界に達しているのです」

Sundaresan助教授らが考える新しいバッテリーは、電解液にエネルギーを貯める方式のレドックスフロー電池の一種で、彼らは『イオン・レドックス・トランジスター』と名づけている。日常的には充電器にプラグイン接続することで充電を行う。そのいっぽうで、長距離移動の際には、電解液そのものを交換するという方法でも充電することができる。そうすれば短時間に満充電にできるわけだ。

もっとも、レドックスフロー電池を電気自動車に使うというアイディアは独自のものではない。彼らの今回の研究発表で注目すべきは隔膜の技術だ。

現在使われているリチウムイオン電池も、陽極と陰極を分ける膜を持っている。しかし、それでも時間がたつと自然放電は起こる。それは、隔膜が完全には電荷の移動を防ぐことができないからだ。そして最悪の場合には、オーバーヒートして発火することもある。これは、リチウムイオン電池がこれまでも数々の事故を起こしていることからもわかるだろう。

 

開閉する膜が自然放電をなくす

それに対し、Sundaresan助教授らが開発した膜は、電荷の移動をシャットダウンし、放電を抑制することができるという。この膜は、生体の細胞膜に発想を得てデザインされた。生体の細胞膜は開いたり閉じたりという働きをするのだ。

彼らは、導電性のポリマーをポリカーボネイトのフィルターと組み合わせた。そして、導電性ポリマーが、ポリカーボネイトの表面でどのように膨張するかをコントロールすることで、隔膜の穴の密度をコントロールすることができることがわかった。

充電中と放電中(使用中)には導電性ポリマーが縮むことで穴を開ける。いっぽうバッテリーを使っていないときは、ポリマーは膨張して穴を閉じる。

研究室におけるテストでは、この隔膜はリチウム、ソディウム、カリウムのイオンを使って充電、放電をコントロールすることに成功している。バッテリーをLEDにつないで、穴の開閉をプログラムして作動させたが、バッテリーは正常に作動するいっぽうで、バッテリーを使っていないときの放電はゼロにすることができたという。

この技術は、従来型のバッテリーにも使えるいっぽうで、同研究チームはやはり新しいレドックスフロー電池と組み合わせて使いたいと思っている。

 

そもそも電気自動車というのは、機構的にはそれほど画期的なものではないのかもしれない。しょせんは電池とモーターだ。かなり長い歴史をもつ装置である。そのなかで技術革新が要求されているのは電池の技術だろう。たしかに既存のリチウムイオン電池で、現在の電気自動車の課題が払拭できないのなら、レドックスフロー電池のような新しい電池に期待するしかない。

その点、ふだんはプラグで充電し、長距離移動の際は電解液を交換して急速充電するという方式は現実的だ。もしかしたらレドックスフロー電池が将来の自動車の方式になっていくのかもしれない。

 

【参考・画像】

※ New technology may give electric car drivers more miles per minute of charging | News Room – The Ohio State University