MITは、自己発電型生地や3Dプリントバッテリーに使用できる140メートルの柔軟なリチウムイオン繊維バッテリーを開発しました。

出典: ディープテック

スマートウェアラブルデバイス技術の発展に伴い、バッテリーの柔軟性、伸縮性、携帯性などの側面に対する要求が高まっています。

日常生活では、充電式リチウムイオン電池はよく知られていますが、充電式リチウムイオン電池を超長繊維や衣服にすることは可能でしょうか？

図丨フレキシブルリチウムイオンファイバー電池（出典：MIT）

最近、マサチューセッツ工科大学（MIT）のチームが上記の成果を達成し、厚さ数百ミクロン、長さ140メートルの世界最長のフレキシブルファイバーバッテリーの開発に成功しました。このバッテリーの放電容量は123ミリアンペア（mAh）、放電エネルギーは約217ミリワット時（mWh）です。

2021年12月20日、「熱延伸充電式バッテリーファイバーが広範囲な電力供給を可能にする」と題する関連論文がMaterials Todayに掲載されました。

この繊維電池は、電池と繊維の特性の「二重特性」を備えており、充電式リチウム電池の充放電機能を備えているだけでなく、織物に織り込んで1Dから3D電源までの多数の非平面電子デバイスに電力を供給することができ、ウェアラブル電子デバイスにさらに多くのオプションを提供します。

「私たちのアプローチの利点は、複数のデバイスを単一のファイバーに組み込むことができることです」と、論文の責任著者で慶熙大学生命科学部の教授であるイ・ジョンテ氏はメディアのインタビューで語った。「これは、複数の光ファイバーデバイスの統合を必要とする他の方法とは異なります。複数のデバイスを含むこれらのファイバーを統合すると、コンパクトなファブリックコンピューターの実現が促進されます。」

GIF: ファイバーバッテリーが部分的に切断された場合でも、LED に電力を供給し続け、ファイバーバッテリーシステムで電解質の損失や短絡が発生していないことを示しています (出典: Materials Today)

この研究では、熱伸張法を初めて使用して、保護用の柔軟なシェル内にさまざまな複雑な電気活性ゲル、粒子、ポリマーを同時に収容しました。熱延伸プロセスのもう 1 つの利点は、プリフォームを変更することなくキャプスタン速度を変更することで、繊維の横方向の寸法を制御できることです。

このシステムは、新しいバッテリーゲルと標準的なファイバー描画システムから作られており、すべてのコンポーネントを含むシリンダーから始まり、その後、融点よりわずかに低い温度まで加熱されます。研究者らが狭い開口部から材料を取り出すと、すべての部品が元の直径の何分の一かになっていることがわかったが、同時に部品の元の配置は崩れていなかった。

図丨複数のゲルを含む熱繊維電池の伸張と、2D および 3D のフレキシブル多次元エレクトロニクスへの拡張 (出典: Materials Today)

この分野におけるこれまでの研究は、織り込み可能で洗える LED、光電センサー、通信、デジタルシステムに焦点が当てられてきました。フレキシブルなウェアラブル製品での使用に適していますが、外部電源に依存し、自己給電できないという欠点があります。

では、ファイバーバッテリーは、普通の衣服と同じくらい快適に着用でき、同時にバッテリーの充電・放電機能を備え、自己発電型の通信、センシング、コンピューティングデバイスのニーズを満たすことができるのでしょうか?

GIF: 熱延伸ファイバー電池 (右) はゲル電極とゲル電解質により耐火性がありますが、液体電解質を使用した対照ファイバー電池 (左) はすぐに発火して膨張します (出典: Materials Today)
「活性材料を繊維内に埋め込むということは、敏感なバッテリー部品がすでに良好な密閉状態にあることを意味します」と、MIT電子工学研究所のポスドク研究員で論文の筆頭著者であるトゥラル・クディエフ氏は言う。「そして、すべての活性材料が非常によく統合されているため、位置が変わることはありません。」

MIT チームが開発した新しいファイバーバッテリーは、自己発電式であるだけでなく、ポータブル電子システムの要件も満たしています。洗濯機で洗える、柔軟性がある、水中で使用可能、火災や破裂の危険がないなどの利点があります。

それだけでなく、このファイバーバッテリーはワンステップで 3D プリントも実現します。バッテリーは繊維の外観だけでなく、繊維内部にも各種金属、活物質などが含まれています。「これはファイバーバッテリーデバイスの初の3Dプリントです」とトゥラル・クディエフ氏は語った。

図丨 2次元電子製品における熱延伸繊維電池（出典：Materials Today）

チームは、潜水艦ドローン、Li-Fi（Light Fidelity）ファブリック、飛行ドローン通信に電力を供給するためのさまざまな充電式ファイバーバッテリー方式を実証し、バッテリー駆動の自己発電型電子機器の開発に向けた優れた基盤を築きました。

ドイツのミュンスター大学の物理化学教授、マーティン・ウィンター氏は、この研究は非常に革新的だと考えている。同氏は「新しいバッテリーセルの形状の柔軟性により、これまでは実現できなかった設計や用途に対応できます。現在、バッテリーに関する研究のほとんどは、グリッドストレージと電気自動車に焦点を当てています。これは主流からのよい逸脱です」と語った。

ファイバーバッテリーの長さはまだ限界に達しておらず、将来的には1000メートル以上にさらに延長される見込みだとチームは述べている。次に、チームはバッテリーの効率と電力容量をさらに向上させる方法の研究に重点を置く予定です。さらに、この技術は関連特許も申請されており、数年以内に産業化されることを期待している。

MITは、自己発電型生地や3Dプリントバッテリーに使用できる140メートルの柔軟なリチウムイオン繊維バッテリーを開発しました。

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