紙に印刷されるかもしれない、あなたの次のバッテリー

供給チェーンの混乱は、半導体から始まり、さまざまな商品に広がっているようです。地政学的な出来事の影響で商品や天然資源の価格が大きく変動し、電気自動車への需要が高まる中、2025年までにはリチウム不足が起こる可能性があると言われています（国際エネルギー機関の評価によると）。リチウム需要の増加に直面して、学術界や産業界の研究者たちは、これらの課題を克服するために代替バッテリー材料の研究を進めています。

最も興味深い開発の一つは、スイス連邦材料科学技術研究所（Empa）の研究者によって行われました。研究成果は最近のNatureの号に掲載されました。彼らは、紙のシートに印刷可能な革新的な水活性バッテリー材料を発表しました。理論的には、この電気化学的に活性な材料は、プラスチックのような柔軟な絶縁体など、任意の基材に印刷することができます。

紙のバッテリーを電気自動車に使用することを提案しているわけではありませんが、この材料は単一セルで最大1.2V（Ni-MHバッテリーの化学と比較可能）を出力することができます。したがって、このタイプの材料のスタックは、携帯電子機器やその他の小型デバイス用の小型使い捨てバッテリーとして使用することができます。これはリチウム不足の魔法の解決策ではありませんが、これらの代替材料はリチウムを電気自動車（EV）のようなはるかに重要な領域に向けることを可能にするかもしれません。

インクベースのバッテリー材料

Empaの研究者によって開発された材料は、実際にはグラファイト、カーボンブラック、陽極としての亜鉛、塩を含む炭素ベースの層状材料です。この炭素塩ベースの化学は、以下に説明するように、水を適用することで活性化することができます。このバッテリー材料の層状構造は、以下のグラフィックに示されています。

グラファイト + カーボンブラックの上層と下層は、バッテリーの電気化学反応に参加する活性層として機能します。塩でコーティングされ、水にさらされると、接続された回路を通じて電流が流れることができる電気化学反応が起こります。

この特定の発見は実用的なシステムではありませんが、小型電子機器を動かすのに十分な電力を生み出す新しい化学の実証に過ぎません。電力出力がNi-MHおよびアルカリ電池と互換性があることから、この材料は電気化学的な観点から実用的であることが示されています。商業的な側面は、以下で概説する別の問題です。

これは、私たちがよく知る標準的なバッテリー化学の代替品になるでしょうか？おそらくないですが、炭素材料はLiベースの化学に陽極材料として使用されており、電化システムにいくつかの利点を提供しています。

代替材料は魅力的だが、長い準備期間が必要

既存の化学物質（リチウムを含む）を完全に代替することを目的とした代替バッテリー材料の研究は進行中ですが、この道のりは長く、商業化への道はリスクに満ちています。そのため、バッテリー材料業界は、バッテリーの化学を変えることなくバッテリーの動作を改善する類似の材料を使用することを含む、バッテリーデザインの改善に焦点を当てています。

バッテリーの化学変更についてなぜ気にかけるべきか？持続可能性と電化を確保するための需要を満たす観点から、リチウムに匹敵する代替化学物質を見つけることは魅力的な道です。問題は商業化にあります：Liベースおよびその他の金属ベースの化学物質はよく理解されており、すでに安全性の観点から資格を得ています。これにより、基本的なLiベースの化学物質の上に構築することは、リスクと責任の観点から魅力的なオプションとなります。新しい化学物質が開発され、商業化への道がある場合、新しい化学物質は一定レベルの規制遵守と顧客への信頼性の証明を示す必要があります。

これらの理由から、バッテリー業界の材料開発者の間で最近の焦点は、既存のバッテリーデザイン内での段階的な改善のために炭素材料を使用することにあります。バッテリーデザイナーは、これらの新しいバッテリーデザインで既存のバッテリー製造、テスト、品質管理の知識を活用しながら、炭素ベースの化学の利点を受け取ることができます。

既存のバッテリー化学物質で使用される炭素ベースの材料の主な利点のいくつかは次のとおりです：

Liイオンバッテリーを改善するために開発されている主要な炭素ベースの材料の1つは、機能化グラファイトであり、容易に製造され、Liイオンバッテリーシステムのアノードを構築するために使用できます。もう1つの炭素ベースの材料はカーボンナノチューブで、軸方向に沿った高い弾道電荷輸送から恩恵を受けます。これらの材料をバッテリーシステムに組み込むと、既に信頼性の高いバッテリー化学物質で、より大きな充放電率と容量を提供します。

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