グラフェン 電池。 次世代バッテリー論。『グラフェン』の特徴を学んで思う“C”の凄さ|8vivid

グラフェン透明導電性電極

グラフェン 電池

セルビアの首都、ベオグラード。 その中心部から出るルート「1E」のバス5台は、まるで未来の乗り物だ。 このルートを走るチャリオット・モーターズ製の電気バスは、スーパーキャパシタ(電気二重層コンデンサー)のみで走行する世界初のバスのひとつである。 急速に充電可能でバッテリーの代替になると言われているスーパーキャパシタには、エネルギーの蓄積方法に革命を起こす可能性が秘められている。 革命的バッテリーの弱点 スーパーキャパシタは、バッテリーのように電気を化学エネルギーとして蓄えるのではなく、電気を電界に蓄える。 ちょうど、風船の表面に静電気がたまるようにだ。 スーパーキャパシタでは化学反応が起こらないため、リチウムイオン電池のような劣化は起こらず、さらにバッテリーよりも格段に速く充電できる。 ベオグラードのバスの場合、たった5分の充電で最大18kmの距離を走行可能だ。 また、レアアースにも依存しないという利点もある。 では、なぜ電気自動車や電子機器のバッテリーは、まだスーパーキャパシタに代替されていないのだろうか。 その理由はふたつある。 ひとつは、スペースあたりで蓄積できるエネルギー量が少ないこと。 もうひとつは、バッテリーに比べて電力を保持できる時間が短いことだ。 スーパーキャパシタは、満充電しても数時間でエネルギーが漏出して空になってしまうこともある。 バスなら停留所ごとに充電できるからそれでも構わないが、終日走行しなければならない乗用車にはあまり役に立たない。 しかしいま、多くの研究者やスタートアップが、スーパーキャパシタの改良に取り組んでいる。 頼みの綱になるのは、史上最も騒がれている素材のひとつ、グラフェンだ。 「表面積」がバッテリーの性能を飛躍させる グラフェンは、炭素原子が六角形構造に並んだシートだ。 2004年にマンチェスター大学で発見されると、たちまち驚異の素材と称賛された。 グラフェンは強くて軽く、表面積が大きく、熱伝導にも電気伝導にも優れている。 「グラフェンはまだティーンエージャーのようなものです」と、 Manchesterの最高経営責任者(CEO)であるジェームズ・ベーカーは言う。 ベオグラードのバスに搭載されたスーパーキャパシタで使われているのは、活性炭だ。 グラフェンも炭素の一形状だが、表面積が極めて大きい(表面積はスーパーキャパシタの性能を左右する)。 そのためこの素材は、スーパーキャパシタのパフォーマンスを、電気自動車()や家電製品に採用される実用レヴェルにまで、飛躍的に高める可能性を秘めているのだ。 そうなれば、数秒で充電されるスマートフォンや、信号で停止中に電気を補給できる乗用車が登場するかもしれない。 市場に出始めるグラフェン製品 グラフェンバッテリー市場は2022年には1億1,500万ドル(約130億円)に達すると予測されている。 しかし、技術が向上するにつれポテンシャルはそれ以上のものになっている。 この技術を研究している企業も、大きな注目を浴びているのだ。 そのひとつが、中国企業のだ。 同社はノートパソコン用バッテリーの容量をもち、たった15分で充電できるグラフェンスーパーキャパシタを発表した。 バルセロナに本拠を置くスタートアップのは、グラフェンを用いて電動自転車やオートバイ用のスーパーキャパシタを開発してきた。 これは、リチウムイオン電池の12倍速く充電できるという。 販売開始は2018年内の予定だ。 新種のスーパーキャパシタのなかには、厳密に言えばグラフェンではないものも多い。 グラフェンは、専門的には炭素の2次元シートのみを指す用語なのだ。 グラフェンの表面積はすでに極めて大きいが、さらに表面積を広げる努力が続けられている。 例えば、グラフェンに小さな穴をあけたり、ナノレヴェルでテクスチャリング(表面処理)したりといった試みだ。 エストニアの企業であるは、カーヴしたグラフェンを組み込んだ多様な製品を提供している。 また、英国オックスフォードシャーに本拠を置くは、単なる平らな層ではなく、起伏のあるグラフェンとカーボンナノチューブの合成物を用いている。 同社初の製品(電動スクーター、クルマ用のジャンプスターター)は、18年後半に発売される予定だ。 問題は品質管理と持続可能性 グラフェンスーパーキャパシタの蓄電時間が、ほぼすべての用途でリチウムイオン電池の代わりになるほど伸びるまでには、まだ時間がかかる。 そのため、なかにはハイブリッドシステムを提案する人もいる。 急速充電にはスーパーキャパシタ、長時間蓄電のためには従来のバッテリーという組み合わせだ。 もうひとつ想定される問題は生産規模の拡大だ。 このため、英国国立物理学研究所は18年7月、グラフェンの品質保証に関するイニシアチヴを発表した。 全体としてはリチウムイオン電池よりはるかに環境にやさしく、はるかに容易にリサイクルできるとはいえ、グラフェンの標準的な生産過程では、まだ刺激の強い化学物質が使用されている。 2030年には1億2,500万台に達する見込みのEVを充電することになるなら、いまのままではサステナブルとは言えない。 しかし、研究者たちがこうした問題を解決できたなら、グラフェンは世の中の成り立ちを根本的に変えてしまうだろう。 「バッテリーのないクルマ」が生まれる日 フランス南部では、のウルリヒ・グレープとパスカル・ブーランジェが、炭素ベースのスーパーキャパシタを電子機器やクルマ、さらにはフットウェアにも組み込もうとしている。 ふたりが開発中の技術には、カーボンナノロッドが使われている。 カーボンナノロッドは異素材に混合したり、コーティングしたりできるため、折りたためるスマートフォンやウェアラブル機器用の可撓性ポリマー、あるいは強くて軽い炭素繊維といった素材と組み合わせられるのだ。 NAWAShellの技術は、ケースにバッテリーが内蔵されたノートパソコンなどにも使える。 あるいは、エネルギーを巨大なバッテリーではなくドアやシャシー(車台)に蓄えるEVが生まれる可能性もある。 「ある意味『バッテリーのないクルマ』です」とグレープは言う。 NAWAShellの現在の技術レヴェルなら、電気軽自動車のシャシーに組み込んだ小型バッテリーで走行距離を15km延ばせるだろうというのが彼の予想だ。 やがては、家の壁にもエネルギーストレージを組み込めるようになるだろうと彼らは言う。 2017年、ランボルギーニは、コンセプトカー「」の開発におけるマサチューセッツ工科大学(MIT)との提携を発表した。 炭素繊維製のボディに組み込んだグラフェンの類似素材を動力源にして走るEVスーパーカー、というのがこのクルマの開発コンセプトだ。 スーパーキャパシタの技術は急速に向上しており、2020年代初めにはスマートフォンに搭載される可能性もあるが、プリウスに電力を供給するようになるまでにはまだ時間がかかりそうだ。 ハイエンドのスポーツカーは言うまでもない。 最終的には、グラフェンもしくは同様の素材でできたスーパーキャパシタが世の中の重要な部分を成すだろう。 しかし差し当たっては、ベオグラードのバスでよしとするしかないようだ。

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電気自動車の走行距離を3倍に、ナノ多孔質グラフェン採用のリチウム空気電池 (2/2)

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数年前に比べて現在販売されているスマホに搭載されているバッテリーの容量は飛躍的に向上している。 フラッグシップモデルに多い6. 4インチのディスプレイを搭載するスマホの多くは既に4,000mAh以上のバッテリーを搭載し、一部5,000mAhの特大バッテリーを搭載するスマホもちらほら見かけるようになった。 同時にバッテリーの充電速度も年々加速度的に向上しており、今や100Wの急速充電を可能とする技術が複数メーカーから発表されている。 現在販売されている全てのスマホにはリチウムイオンバッテリーが使用されているが、リチウムイオンは取り扱いが難しい。 圧が加わることで発熱し発火という流れは「Galaxy Note7」を筆頭に多く見てきた。 2019年も主流のリチウムイオンバッテリーだが、これを新しい「グラフェンバッテリー」へと移行していこうとSamsungは長い間開発を続けている。 「グラフェンバッテリー」に関する話は昨年から度々見かけるようになり、その時点では2019年の「Galaxy Note10」でデビューするのではないか、と言われていたが実際は見ての通り実現は叶わなかった。 2021年デビューが期待される「グラフェンバッテリー」搭載スマホ EveLeaksからの最新の情報によると、Samsungは上述の通り2020年か2021年までに少なくともグラフェンバッテリーを使用したスマホを発表することを一つの目標と定めているようだ。 当初の2019年後半デビューという話はやはり厳しく、グラフェンバッテリー搭載スマホを発表するまでにはまだ数年かかるとのこと。 長い年月をかけてでもSamsungが「グラフェンバッテリー」を実用化することにこだわっているのか。 それは明らかにリチウムイオンバッテリーよりも優れた声質を持っているからだ。 リチウムイオンバッテリーを搭載するスマホは度々爆発及び発火の事故を目撃するが、これはバッテリー本体が高音になることが要因。 9mmの厚みに4,300mAhのバッテリーを搭載しているが、「グラフェンバッテリー」が実用化されれば、例えば同じ筐体サイズでも5,000mAh以上のバッテリーを搭載可能になるはずだ。 当初伝えられていた予定よりさらに長い年月が掛かりそうだが、「グラフェンバッテリー」搭載スマホが登場する時、スマホの持続時間は更に向上するはずだ。 最後に、今回の情報もあくまでもリーク。 Samsung公式が伝えた情報で七位ため、当初「2019年登場予定」と伝えられていた情報同様、実際には登場しない可能性があることには十分注意しておきたい。 [source ] [via ].

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奇跡の素材グラフェンを使ったバッテリー、2021年からスマホに使われ始めそう

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(画像:より) 「驚異の素材」「夢の新素材」などと呼ばれているグラフェンですが、その実態は炭素です。 中身も鉛筆の芯の原料になっている黒鉛(グラファイト)と同じもので、元素記号は単純に「C」のみです。 簡単に言えばグラフェンとは、層状で剥離しやすい性質を持つグラファイトを原子一つ分の薄さで剥がしたものなのです。 そのため大発見の画期的な素材というわけでは決してなく、その存在自体は従来からよく知られていました。 2004年に英国マンチェスター大学のアンドレ・ガイム氏らが初めてグラファイトからグラフェンの剥離に成功したとき、それを見た著名な女性物理学者のミルドレッド・ドレッセルハウス女史は「こんなもの、私、昔から知ってたわ」と言ったとか。 しかし優れた特徴があることがすでにわかっていても最近まで実用化が進まなかったのは、それまで原子ひとつ分の薄さでグラファイトを剥がす手法が確立しておらず、研究が理論だけにとどまっていたからです。 その状況に突破口をもたらしたのが前述のアンドレ・ガイム博士とコンスタンチン・ノボセロフ博士でした。 二人はなんとスコッチテープ(セロハンテープのような粘着テープ)をグラファイトに貼って剥がすという原始的なアナログ手法で剥離に成功し、世界で初めて安定的にグラフェンの現物を手にしました。 そして様々な特性を実際の検証で明らかにしたため、その功績に対して2010年にノーベル物理学賞が与えられたのです。 (この事実は当時「セロテープでノーベル賞?」と話題になりました) これが契機となり、世界中のグラフェン研究が一気に加速しました。 その結果、期待通りの驚くべき性質や今まで知られていなかった意外な特性が明るみになり、グラフェンはここに来てようやく「夢の新素材」「驚異の素材」ともてはやされるようになりました。 また、両氏が用いた「スコッチテープで貼って剥がす」手法はスコッチテープ法と名付けられ、手軽で簡便であることから応用が広まり、今では多種多様な層状物質の剥離に使われるようになりました。 炭素原子が六角形のハニカム格子状に配置され厚みは約0. 34nm(ナノメートル=1メートルの10億分の1)という想像もつかない薄さです。 それでも壊れないのは、 面内の共有結合が非常に強靭で、同じ炭素の同素体であるダイヤモンドよりも高い引っ張り強度があるからです。 そしてとてもしなやかなので折り曲げることができ、可視光に対しては透明です。 そのため、新しい半導体材料や、フィルム、センサー、バッテリーへの利用や生物工学への応用が期待されています。 日常の範囲を超えて物質を極限まで小さくしていくと、それまでとは全く違った性質が現れますが、グラフェンも三次元(立体)だったグラファイトが二次元(平面)になったことで、グラファイト(黒鉛)にはない特徴が脚光を浴び始めました。 それは電気や熱をとてもよく通すということです。 グラフェンの電気の伝導率は銀より高く、熱の伝導率は銅の10倍くらいです。 加えて、今までの素材より比表面積がとても大きいので、電池分野でのグラフェンは、化学変化で電気を蓄える従来型の電池ではなく、電気を電気のまま蓄えるスーパーキャパシタの極材として注目されるようになりました。 キャパシタはコンデンサの別名で、電気を蓄えたり放出したりして電子回路を制御するお馴染みの部品ですが、この機能を強化すれば電子部品としてではなく、電池として使えるはずだという発想のもとで、スーパーキャパシタ(電気二重層キャパシタ=EDLC)が開発されてきました。 スーパーキャパシタは出力密度が大きく,瞬間的に大きな力を発揮でき,急速の充放電も可能です。 けれど、エネルギー密度が小さいため,大容量の電気を長時間使用する用途には適さないと考えられてきました。 ところが近年、今まで極材につかっていた活性炭素よりも、もっと優れたグラフェンが登場してきたため、スーパーキャパシタの研究がにわかに活気を帯び、今後リチウムイオン電池に代わる次世代の蓄電デバイスになるのではないか、とも言われています。 スーパーキャパシタとは? (画像:より) 正極と負極と電解液の化学変化で充放電する従来の蓄電池と異なり、スーパーキャパシタでは電圧をかけたときに両極に引き寄せられて移動する電子イオンをそのまま蓄えたり放出したりします。 「安全で丈夫で長持ち」が見込まれることで製品の寿命が延び、省資源や産業廃棄物の削減にも効果があります。 2021年までにグラフェン電池の搭載が噂されているサムスン製のスマートフォンの場合は、現在主流のリチウム電池にくらべると、約45%の容量アップが見込め、 満充電まで30分かからないとのこと。 ですが、長時間電力を保持できない弱点があるため、もしかして充電頻度が増すのではないか?など、評価は未知数です。 グラフェンをつかったスーパーキャパシタ(電気二重層キャパシタ)は、夢の素材と言われる一方で、量産手法がなかなか確立せず、商業利用がいまだに実現していません。 ですが、低コストで大量生産することが出来れば巨大産業化が期待出来ることから、世界中の国や企業がグラフェンの研究・開発に投資しており、今後、研究開発競争が激化していくものと見られます。 グラフェン電池はすでにいくつかの海外メーカーがクラウドファンディングを利用して製造に乗り出していますが、サムスンのスマートフォンがいったいどんなものなのか、世界中から熱いまなざしが注がれていることだけは間違いありません。

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