《Materials Today》充電式リチウムイオン電池が誕生、最長140メートル、3Dプリントにも使用可能

出典: リサーチサークル

MITの研究者らは、布地に織り込むことができる超長繊維の形をした充電式リチウムイオン電池を開発した。このバッテリーにより、ウェアラブル電子機器の大量生産が可能になるほか、3Dプリントによりさまざまな形状に作ることも可能になる。

普通の衣服のように身に着けることができ、自ら電力を供給する通信機器、センサー、コンピューティング機器がますます増えています。これらのデバイスでは、バッテリーが構造部品としても機能します。研究チームは概念実証実験で、長さ140メートルという世界最長のフレキシブルファイバーバッテリーを作成し、この素材がどんな長さにも作れることを証明した。この研究は「Materials Today」誌に掲載された。論文の主著者は、MITのポスドクであるトゥラル・クディエフ氏（現在はシンガポール国立大学の助教授）、元MITのポスドクであるジョン・テ・リー氏（現在は韓国の慶熙大学の教授）、そして現在アップルに勤務するMITの博士課程学生ベンジャミン・グレナ氏である。他の共著者には、MIT教授のヨエル・フィンク氏、ジュ・リー氏、ジョン・ジョアノポロス氏を含む7人の学者が含まれています。

これまで、このチームを含む研究者らは、LED、光センサー、通信機器、デジタルシステムなどの電子デバイスを内蔵した多くの種類のファイバーを開発してきました。これらの多くは回転可能で、洗濯も可能なため、ウェアラブル電子機器での使用に適しています。しかしこれまで、これらのデバイスは動作するために外部電源に依存していました。現在、回転可能で洗浄可能なこのファイバーバッテリーにより、上記のすべてのデバイスに電力を供給することができます。

新しいファイバーバッテリーは、先進的なバッテリーゲルと一般的なファイバー描画装置を使用して製造されます。まず、すべての材料を大きな円筒の中に組み立て、それを融点近くまで加熱します。次に、材料を細い出口から引き伸ばし、さまざまな材料の配置を変えずに細い繊維に圧縮します。

クディエフ氏は、他社がファイバー電池を開発する際、常に最も重要な材料をファイバーの外層に配置するように努めている、と語る。彼らが開発した繊維は、リチウムイオンと主要材料の両方を内部に封入し、外層で保護しています。安定性だけでなく防水性も備えています。これは世界初、1キロメートル未満の長さのファイバーバッテリーであり、十分な長さだけでなく、十分な耐久性も備えています。

研究者らは長さ140メートルのファイバーバッテリーを作ることができたので、「バッテリーの長さに明らかな上限はなく、キロメートル規模まで延長できる」とクディエフ氏は語った。彼らはまた、このファイバー電池を使って「Li-Fi」通信システム（光のパルスを使ってデータを送信する装置）のデモ装置も作成した。マイク、プリアンプ、リピーター、ダイオードが含まれています。研究者たちはこれらのデバイスを使用して、2組のファイバー織りデバイス間の光データリンクを作成しました。

「活性材料を繊維に埋め込むと、敏感なバッテリー部品がしっかりと密閉されます」とクディエフ氏は言う。「すべての活性材料がしっかりと一体化され、伸びても位置が変わりません。」さらに、最終的な繊維バッテリーは予想よりも薄く、柔軟性が高く、アスペクト比は他の設計よりも数百万倍も高い。これにより、従来の繊維設備を使用して加工し、バッテリーやその他の電子システムを組み込んだ繊維を製造することが可能になります。

彼が述べたように、長さ140メートルのファイバーバッテリーは現在123mAhの電気を蓄えることができ、スマートウォッチや携帯電話を充電できる。直径はわずか数百ミクロンで、これまでのどのファイバーバッテリーよりも薄いです。

「私たちのアプローチの素晴らしい点は、複数のデバイスを 1 本のファイバーに組み込めることです」と Lee 氏は言います。「これは、複数の異なるファイバーデバイスの集約を必要とする他の技術とはまったく異なります。」彼らは LED とリチウムイオンバッテリーを 1 本のファイバーに統合することに成功しており、将来的には 3 台、あるいは 4 台の異なるデバイスを同じ小さなスペースに収めることができると考えています。「複数のデバイスを1本のファイバーに統合することができ、この統合構造は間違いなくファイバーコンピューターの開発を促進するでしょう。」

独立した 1 次元繊維とそれが織り込まれた 2 次元織物に加えて、デバイスに電力を供給できるケースなど、特定の形状に 3D プリントすることもできます。その可能性を実証するために、研究者たちはこの材料を使って、電気を供給できるおもちゃの潜水艦の殻を作った。エネルギーを構造部品に組み込むことで、デバイス全体の重量を軽減し、効率を高め、使用範囲を拡大することができます。

独自の電源ハウジングを備えたおもちゃの潜水艦。画像出典: Tural Khudiyev、Jung Tae Lee、Benjamin Grena、Yoel Finket 他提供 https://www.eurekalert.org/multimedia/815519
「これはファイバーバッテリー素材から3Dプリントされた世界初のデバイスです」とクディエフ氏は語った。バッテリーを内蔵したデバイスを 3D プリントしたい場合、現時点ではこの目的を達成できる唯一の技術です。「一度印刷したら、すべてがすでに繊維の中に入っているため、他に何かを加える必要はありません。これは初のワンステップ印刷技術です。」

これは、今では「コンピューティングユニットと Li-Fi をあらゆる日常の物体に組み込むことができる」ことを意味します。

研究チームはこの技術の特許を申請しており、その能力と汎用性の向上に取り組んでいる。クディエフ氏は、このファイバー電池は今後数年以内に製品に使用され、市場に投入される可能性があると述べた。

https://www.eurekalert.org/news-releases/938580

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