中国科学院が2万回曲げられる固体電池次世代エネルギー技術に前進 - NewsTomo

次世代エネルギー技術として注目される全固体リチウム電池で、中国科学院金属研究所の研究チームが、2万回の屈曲に耐えるフレキシブル電池を開発しました。高い安全性とエネルギー密度を維持しながら柔軟性を実現したことで、固体電池の実用化に向けた大きな一歩といえます。

2万回曲げても性能を保つフレキシブルな全固体リチウム電池
界面抵抗とイオン輸送効率の低さという従来課題を分子設計で克服
複合正極でエネルギー密度が最大86％向上

中国科学院が報告した新しい固体電池の姿

今回の研究成果は、国際学術誌Advanced Materialsに最近掲載されました。研究チームは、従来は硬く割れやすいイメージの強かった全固体リチウム電池で、繰り返し曲げても性能が落ちにくい柔軟な電池を実現したと報告しています。

実験では、このフレキシブル電池が2万回の屈曲試験に耐えたとされています。折り曲げやねじれに強いという特性は、ウェアラブル端末や折りたたみ端末など、形状の自由度が求められる電子機器にとって重要な条件です。

固体電池のネックだった「界面抵抗」

全固体リチウム電池は、高い安全性とエネルギー密度が期待される次世代のエネルギー貯蔵技術とされています。一方で、固体同士が接する電極と電解質の界面でイオンが動きにくくなる「界面抵抗」が大きな課題でした。

電極と電解質の密着が不十分だと、イオンが通りにくくなり、充放電の効率が下がってしまいます。その結果、本来の性能を発揮できず、実用化が難しいという状況が続いていました。

分子レベルで界面を一体化する設計

研究チームはこの課題に対し、ポリマー（高分子）材料の分子構造を工夫するアプローチをとりました。具体的には、イオンを運ぶ役割を持つエトキシ基と、電気的に反応する短い硫黄鎖を、ポリマーの骨格に組み込んだと説明しています。

こうした分子設計により、電極と電解質の界面が分子レベルで一体化され、イオンが移動しやすい通り道をつくることに成功しました。この構造によって、イオンを運ぶモードと蓄えるモードを制御しながら切り替えることも可能になったとされています。

エネルギー密度が最大86％向上

新しいポリマー材料を用いたフレキシブル電池は、機械的な柔軟性だけでなく、電池としての性能面でも大きな向上が確認されています。

研究によると、この材料を複合正極のポリマー電解質として用いた場合、システム全体のエネルギー密度が最大86％向上したといいます。エネルギー密度とは、一定の重さや体積あたりにどれだけ多くのエネルギーを蓄えられるかを示す指標で、小型・軽量化や長時間駆動に直結する重要な要素です。

高いエネルギー密度と安全性、そして柔軟性を同時に満たすことができれば、従来のリチウムイオン電池では難しかった新しいデバイス設計が広がる可能性があります。

次世代エネルギー技術としての全固体リチウム電池

全固体リチウム電池は、高い安全性とエネルギー密度から、次世代のエネルギー貯蔵技術として世界的に研究が進められています。しかし、界面抵抗の高さやイオン輸送効率の低さが、実用化を阻むボトルネックになってきました。

今回の研究は、界面の問題を材料設計の段階から解決する「新たな設計戦略」と「研究パラダイム」を提示した点に意義があります。単に既存材料を改良するのではなく、分子レベルで電池の振る舞いをデザインするという発想は、今後の材料開発にも波及効果をもたらす可能性があります。

私たちの生活へのインパクトは

この技術がすぐに製品として市場に出る段階にあるかどうかは別として、2万回の屈曲に耐える固体電池というコンセプトは、日常のデバイスの姿を大きく変えるかもしれません。

例えば、腕や衣服に自然になじむウェアラブル端末、丸めて持ち運べるディスプレー、柔らかいロボットやセンサーなど、電池の形状自由度が増すことで、これまで難しかったデザインが現実味を帯びてきます。安全性の高い全固体リチウム電池がしなやかな形で実装できれば、スマートフォンやモバイル機器の使い方そのものも変わる可能性があります。