ヒネリを効かせたバッテリー (A battery with a twist)

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2019/9/24 スイス連邦工科大学チューリッヒ校(ETH) (チューリッヒ工科大学)

・ ETH が、フレキシブルなエレクトロニクスやテキスタイルで使用できる、薄膜リチウムイオン蓄電池のプロトタイプを開発。引き伸ばしたりひねったりしても電力を供給する。
・ フレキシブルな同薄膜蓄電池では、充放電時にリチウムイオンの移動が起こる電解質がポイント。商用蓄電池設計と同様のレイヤー構造を有するが、電池全体の折り曲げや引き伸ばしを可能にするフレキシブルな構成部品を使用したのは初めて。
・ アノードとカソードの 2 本の集電体は、導電性の炭素を含んだ折り曲げられるポリマー複合材より構成。同複合材は外部ケーシングとしても機能する。同複合材の内部表面にはマイクロサイズの銀片の薄膜を貼り付けた。
・ 同銀片薄膜は屋根の瓦のように重なり合い、電池を引き伸しても元の状態を維持する。そのため、銀片薄膜間の接触が切断されても、引き伸ばしを耐久する集電体の導電性が保持され、炭素を含む複合材中を(若干弱まるが)電流が流れる。
・ マスキングにより銀片層の特定領域にアノードとカソードの粉末をスプレーコーティング処理。カソードはマンガン酸リチウム、アノードは酸化バナジウムから構成される。
・ 集電体 2 本を積み重ねてその間にバリア層を挟み、そのギャップに今回新たに開発した電解質ゲルを充填。同電解質は、可燃性で毒性のある商用のそれに比して環境により優しく、高濃度のリチウム塩の水を含有。この成分が充放電時にカソードとアノード間のリチウムの移動を促進し、水の電気化学的分解を回避する。
・ 巻き込めるディスプレイやスマートウォッチ、タブレット等の出現に伴い、フレキシブルで安全な蓄電池の需要が高まっている。同薄膜蓄電池の商業化には最適化に向けたさらなる研究、特に保持できる電極材料の増量が必要。
URL: https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/09/battery-with-a-twist.html

(関連情報)
Advanced Materials 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Fully Integrated Design of a Stretchable Solid‐State Lithium‐Ion Full Battery
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201904648

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

A solid‐state lithium‐ion battery, in which all components (current collector, anode and cathode, electrolyte, and packaging) are stretchable, is introduced, giving rise to a battery design with mechanical properties that are compliant with flexible electronic devices and elastic wearable systems. By depositing Ag microflakes as a conductive layer on a stretchable carbon–polymer composite, a current collector with a low sheet resistance of ≈2.7 Ω □−1 at 100% strain is obtained. Stretchable electrodes are fabricated by integrating active materials with the elastic current collector. A polyacrylamide–“water‐in‐salt” electrolyte is developed, offering high ionic conductivity of 10−3 to 10−2 S cm−1 at room temperature and outstanding stretchability up to ≈300% of its original length. Finally, all these components are assembled into a solid‐state lithium‐ion full cell in thin‐film configuration. Thanks to the deformable individual components, the full cell functions when stretched, bent, or even twisted. For example, after stretching the battery to 50%, a reversible capacity of 28 mAh g−1 and an average energy density of 20 Wh kg−1 can still be obtained after 50 cycles at 120 mA g−1, confirming the functionality of the battery under extreme mechanical stress.