伸縮性のあるバッテリーでフレキシブルエレクトロニクスがさらに便利に

伸縮性バッテリーはエレクトロニクス業界で勢いを増しており、いつかフィットネストラッカー、ウェアラブルエレクトロニクス、さらにはスマート衣類のエネルギー貯蔵媒体として機能する可能性がある。

研究者らは、電子機器が人間の皮膚にますます近づくにつれて、この概念は今後 10 年でより価値のあるものになると考えています。 ウィスコンシン大学マディソン校の機械工学教授、ジェームス・ピクル氏は、「ウェアラブルなどの多くの用途では、人間の皮膚は動くと伸びるため、伸縮性が必要だ」と述べた。 「曲がるだけのバッテリーでは、装着感が不快になるでしょう。」

伸縮可能なバッテリーは輪ゴムのように動作しますが、フレキシブルバッテリーは紙に似ており、曲げることはできますが、伸ばすことはできません。

Pikul と世界中の人々は現在、伸びる電池の開発に取り組んでいます。 新しいバッテリーは、軸方向の張力（張力と圧縮を含む本体にかかる縦方向の力）に耐え、そのような力が加わると弾性的に伸びるという点で、一般に知られている「フレキシブルバッテリー」とは異なります。 本質的に、伸縮可能なバッテリーは輪ゴムのように動作しますが、フレキシブルバッテリーは、どちらかというと紙に似ており、曲げることはできますが、伸ばすことはできません。

パッチはストレッチを主張する

伸縮性バッテリーに対する最近の関心は、血液や汗さえも監視する無電力のウェアラブルパッチの使用が増加していることに端を発しています。 たとえば、ゲータレードは現在、個人の水分補給を追跡するのに役立つ Gx Sweat Patch と呼ばれる皮膚パッチを販売しています。 他の多くの企業がウェアラブル医療パッチを提供しており、その多くは電源の統合によって恩恵を受けるでしょう。 フランスのサンテティエンヌ鉱山学校のフレキシブルエレクトロニクス学科の教授であるティエリー・ジェニジアン氏は、「あらゆるところでマイクロエレクトロニクスが使用されているのを目にしている」と語った。 「そして、それらの電子機器には電力が必要です。 解決策の1つは、完全に目に見えないマイクロバッテリーの開発です。」

「バッテリーを伸ばしたり、ひねったり、ハンマーで叩いたりしましたが、これらすべての変形下でもバッテリーがサーボ モーターに一貫して電力を供給できることを示しました。」 —James Pikul、ウィスコンシン大学マディソン校

ジェニジアンは、2月にジャーナルに論文を発表したグループの一員である 先端材料技術 伸縮性のあるリチウムイオンワイヤーバッテリーを採用。 直径1.4ミリメートル、長さ20センチメートル以上のワイヤー電池は、集電体として銅の撚り布を使用している。 これは、コバルト酸化リチウム (LCO) やリチウム ニッケル コバルト アルミニウム (NCA、テスラ車で一時期人気があった) などの従来の電池の化学的性質を使用して製造されています。 研究者らは、バッテリーを最大 22% まで拡張でき、生物医学パッチ、ヘルス トラッカー、スマート テキスタイル、腕時計などの用途に使用できると報告しています。 ジェニジアン氏は、バッテリーの魅力の大きな部分は単純な快適さにあると語った。 「ヨガのストレッチをしていると、シャツが後ろに引っ張られてしまうことがあります。 伸縮性のないバッテリーを使用している場合は、それを感じるでしょう。」

同様に、Pikul は 3 月にジャーナルに論文を発表したグループの一員です 先端機能材料 伸縮性のある金属空気電池。 新しい金属空気電池は、硬質金属は優れたアノードとカソードを形成する可能性があるが、伸びないという電池寿命に関する単純な事実に対処しています。 このジレンマの解決策は、バッテリーの金属電極が筐体と電解液の間を自由にスライドできるアーキテクチャです。 する ストレッチ。

その結果、バッテリーのアクティブ部分 (アノードとカソード) を伸ばす必要がなくなりました。 本質的に、それらは電解質の表面を横切って滑ります。 電解質は、ソフト コンタクト レンズとほぼ同じ粘度の物質であるヒドロゲルから作られています。 「アノードとカソードはブロックであり、伸長を行っている他のコンポーネントの上をスライドするだけです」とピクル氏は説明しました。 ワイヤー電池は、金属アノード（通常は亜鉛）と、白金を充填したカーボンクロスを「空気」カソードとして使用します。 バッテリーは充電式ではなく、その用途には医療用パッチや補聴器などがあります。

亜鉛をミックスに加える

研究者らはまた、安全性を考慮して設計された伸縮可能なバッテリーの開発も行っており、ワイヤーバッテリーが汗をかいたユーザーの濡れた肌などに接触する用途にも使用できます。 2月に雑誌に掲載された論文で 小さい、著者のZhao Wang氏とJian Zhu氏は、このような電池の鍵は水性電解質を使用する伸縮可能な亜鉛イオンの化学反応であると述べています。 このような電池は、「本質的に可燃性の」有機電解質を使用するリチウムイオンよりも安全である、と彼らは言う。 「水性電解質を使用した伸縮可能なバッテリーは、変形時に絶対的な安全性と信頼性の高い電力を提供します」と Zhu 氏は電子メールで書いています。

著者らは、亜鉛アノードと酸化マンガンカソードまたは銀カソードを主に使用する、数多くの亜鉛イオンの化学について説明しています。 伸縮性亜鉛イオンのエネルギー容量は、1 グラムあたり数ミリアンペア時から 1 グラムあたり 300 mAh にも及びます。 「従来のリチウムイオン電池と比較すると、伸縮性亜鉛イオン電池はエネルギー密度が低いですが、センサー、トランジスタ、ディスプレイなど、ほとんどの電力消費モジュールを駆動できます」とZhu氏は述べた。 注意深く設計すれば、バッテリーは900パーセント以上伸ばすことができると同氏は語った。

製品全体の体積と重量の大部分を消費する携帯電話のバッテリーとは異なり、伸縮性のある新種のバッテリーは事実上目に見えないと予想されています。 ほとんどは直径 2 ミリメートル未満で、重さはわずか数グラムです。

さらに、薄く伸縮性のあるバッテリーであれば耐久性も問題ないようです。 研究者らは、伸縮性バッテリーを大幅に酷使しても何の問題もなかったと述べた。 「バッテリーを伸ばしたり、ひねったり、ハンマーで叩いたりしましたが、こうした変形が生じてもバッテリーがサーボモーターに一貫して電力を供給できることを示しました」とピクル氏は語った。

バッテリーの専門家らは、伸縮性のあるコンセプトは実現可能であり、市場を見つける可能性が高いと考えている。 「はい、適切なアノードがあれば、原理的には伸縮可能な電池を作ることができます」と、マサチューセッツ工科大学の元材料科学教授であり、新しい電池の発見を目的とした非営利研究機関であるサドウェイ研究所財団の創設者であるドナルド・サドウェイ氏は述べた。 「しかし、おそらく必要なのは柔軟性であり、必ずしも伸縮性があるわけではありません。」 サドウェイ氏は、1990年代に伸縮性のある腕時計用バッテリーを開発したが、市場には時期尚早であることがわかったと付け加えた。

現在の研究者の誰も、新種の電池がいつ市場に投入されるのかを知りませんが、その需要は増加すると予想しています。 「過去 10 年間で、伸縮性エレクトロニクスはあらゆる進歩を遂げ、今では多くの新しい用途が生まれています」と Pikul 氏は言います。 「したがって、これらの伸縮可能なデバイスに電力を供給する必要があり、論理的な解決策は伸縮可能なバッテリーを使用することです。」