5秒充電・-40℃〜120℃動作・25万サイクル：アルミニウム・グラフェン電池の衝撃的性能

浙江大学が開発した超高速・全天候・長寿命アルミニウム・グラフェン電池

中国浙江大学の研究者たちが、わずか5秒で充電完了し、-40℃から120℃という極めて広い温度範囲で動作し、25万回の充放電サイクル後でも容量の91%を維持するという驚異的な性能を持つアルミニウム・グラフェン電池を開発しました。さらに、1万回の折り曲げに耐える柔軟性も備えています。商用化されれば、スマートフォンを5秒で充電し、2時間使用可能になるとされています。

電池の構造と性能

この電池の負極にはアルミニウム、正極にはグラフェンが使用されています。従来のリチウムイオン電池を大きく上回るサイクル寿命を実現し、全気候対応のエネルギーデバイスとして設計されています。研究チームによれば、1日10回充電しても70年間容量を維持できると試算されています。

設計とパフォーマンスの詳細

アルミニウムイオン電池の正極材料として、グラファイト、グラフェン、硫黄、金属硫化物が検討されました。グラファイト系炭素材料は高速充電と安定したサイクル特性を提供します。炭素ベースの正極材料を開発するため、研究チームは以下の4要件を満たす必要がありました。

1. 高度に結晶化したグラフェン格子
2. 大電流輸送と内部分極緩和のための連続的な電子伝導マトリックス
3. 材料崩壊を防ぐ高い機械的強度とヤング率
4. 高い電解質浸透性とイオン拡散を促す相互接続チャネル

これらを満たすため、グラフェン酸化物（GO）液晶溶液をウェットスピニングまたはキャストコーティングでGOフィルムに成形し、化学還元で還元GO（rGO）フィルム化、さらに高温アニーリングを行うことで理想的なグラフェンフィルムを作製しました。完全に配向したグラフェンシートは、非配向グラフェンシートで構成されるグラフェンフォームよりも高い電気伝導性と機械的特性を示します。rGOフィルムを2850℃でアニーリングすることで原子レベルの欠陥が修復され、長く連続した銀色のグラフェンフィルムが得られました。

電池性能は、負極と正極の間で電子とイオンがいかに速く移動できるかに依存します。電極材料は、できるだけ多くの電子とイオンが自由に移動できる必要があります。微細構造の品質、配向性、多孔性、そして導電ネットワーク、イオン輸送チャネル、マクロ構造におけるイオンチャネルを最適化することが重要です。この設計原則により、アルミニウム・グラフェン電池は大きな前進を遂げ、驚異的な性能を発揮します。従来のアルミニウム電池の容量は約60mAh/g、充放電サイクルは数千回程度でしたが、今回開発された正極は120mAh/gの容量を達成し、25万回のサイクル後でも91%の容量を維持しました。さらに、1.1秒での急速充電でも111mAh/gの可逆容量を維持しています。

専門家からの懐疑的な見方

中国電気自動車充電技術協会の副理事長である鄭家図氏は、発表された成果に懐疑的です。「数値は慎重に読む必要がある」とし、25万回の充放電サイクル試験自体が膨大な時間を要するため、実機試験ではなくシミュレーションデータに基づく可能性を指摘しています。また、商用化にはコスト性能、エネルギー密度、安全性、信頼性、成熟したビジネスモデルなど、不明確な要素が多く残されています。他にも実証済みで準備が整っている技術が商用化されていない現状があります。

研究チームも「スーパー電池」はリチウムイオン電池より優れているものの、まだ多くの改良が必要であり、従来のイオン液体電解質が高コストであること、より安価な電解質が見つかればアルミニウムイオン電池のビジネスチャンスが広がると述べています。

参考文献

Sciencemag | DOI: 10.1126/sciadv.aao7233 | 浙江大学