紙が電池に!? エネルギー密度を“14倍”にする意外な方法

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掲載日 2013/10/24

紙が電池に!? エネルギー密度を“14倍”にする意外な方法

アリゾナ州立大学の研究者達が、リチウムイオン電池の効率を飛躍的に高める方法を見つけ出した。折り紙のように折り畳んでコンパクトにすることにより、エネルギー密度を14倍に上げることができるのだという。

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 スマートフォンの大画面化やタブレットの普及により、バッテリーには小型化と大容量化という二律背反の技術的要求が突きつけられている。

Folded paper lithium-ion battery increases energy density by 14 times(YouTubeでの説明アニメーション)
 小型化を優先すれば当然ながら容量は減る。だから両立は容易ではない。ところがこのほど、アリゾナ大学の研究者たちが、意外な着想でその道筋を示した。それはなんと……折り紙である。

 研究者たちが考えたのは、平面型のリチウムイオン電池を折り畳むことでコンパクトにすることだ。ところが、従来の電池には炭素電極や保護ケースなど、硬質の材料が多数使われているために折り畳むことができない。そこで彼らが考えたのは、基板に紙を用いることだ。

 実験室でよく使われる「キムワイプ」というペーパータオル。これがシートの主な材料だ。リチウムイオン電池の電極に使われるチタン酸リチウムとコバルト酸リチウムを、それぞれ粉末状にして層にしたものを、これに重ねる。さらに、アルミニウムと銅のシートも重ねる。そうしてできたのが、完全にシート状の電池だ。丈夫で、自由自在に折り畳むことができる。

 畳み方には、「ミウラ折り」という方法が使われている。これは、東京大学名誉教授の三浦公亮氏が、東京大学宇宙航空研究所に勤務していた1970年に、人工衛星のパネルの展開方法として考案したもので、対角線部分を押し引きするだけで簡単に展開/収納ができるうえ、山折りと谷折りの位置が決まっていて破れにくいため、地図の折り畳み方法としてもよく使われている。

 研究チームは6×7センチのシート電池をミウラ折りで1/25の面積になるように畳んだ。すると、面積あたりのエネルギー密度が14倍になったという。25倍までいかないのはロスがあるためだが、それでもこれは画期的な成果だ。

 この記事へのコメントは、研究チームの成果を賞賛するものと、折り紙とリチウムイオン電池という意外な組み合わせへの驚きをそのまま言葉にしたものに大きく分かれた。

 その中でもお国柄がよく出ていたのは、紙サッカー(paper football)を引き合いに出したアメリカ人のコメントだ。これは、三角形に折り畳んだ紙をテーブルに置き、ピンと指で弾くことでゴールを目指す対戦ゲームだ。日本人にはまったく馴染みがないが、アメリカでは学校の休憩時間の定番といえるほどにメジャーな遊びであるらしい。紙を折り畳んださまは、なるほど今回のバッテリーを思わせるものだ。

 また、技術的課題の本質を突いた辛辣なコメントもあった。畳んだ分だけ面積あたりのパワーが増えているだけで、本質的解決にはなっていないのでは……というのは、言われてみれば確かにそうで、これをどう解決するかが今後の課題になるだろう。
  • 「なんだって、バッテリー問題の解決策はオリガミにあっただとぉ」(北米)
  • 「これが究極の解答ってことなのかな」(オランダ)
  • 「バッテリー技術とオリガミを組み合わせると、いったい何ができるのでしょう? 答えは……これでした〜」(米・オハイオ州)
  • 「よくよく読むと、増えたのは面積あたりのエネルギー量だけで、エネルギー密度自体は減ってるように思えるんだけど。だったら、わざわざ畳むまでもなく、単純に重ねた方が効果的だったりしないのかな?」(不明)
  • 「そうだね、畳みすぎて層が剥がれたりしそうだな。でもさ、重ねただけの電池だったら、オリガミみたいに畳んだり広げたりできないじゃないか(笑)」(イギリス)
  • 「いっそ、リチウムイオンの粉を炭素粉末のようにした電池はできないのかな? スプーン一杯分で、ものすごい表面積になると思うんだけど」(不明)
  • 「紙サッカーがついに成果をあげたってわけだ」(米・ノースカロライナ州)

※上記枠内はすべて編集部訳

(執筆者:待兼 音二郎)
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