材料科学
画面は今や曲げられる – バッテリーはなぜ曲げられないのか？
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今年のモバイルワールドコングレスで最も話題になったポイントの一つは、Motorolaの曲げられる電話コンセプト。この電話は手首に巻き付けることができました。
完全に柔軟な電話画面はすでにかなりの期間存在していますが、Motorolaのコンセプト電話—曲げられる—は別格でした。
それはカメラ付きのフルサイズ柔軟スマートフォンであるだけでなく、10秒以内に着用者の服装に合わせたカラースキームを生成できるオンボード生成AIを搭載していました。
曲げられる電話が増えている中、今日はバッテリーに関するシナリオを議論します。画面が曲げられるなら、バッテリーはなぜ曲げられないのでしょうか？
最近の開発で、ACS Energy Letters の研究者は、電解質層が最大5000%まで伸張できる、完全に伸縮可能な部品を備えたリチウムイオンバッテリーを報告しました。
バッテリーの良い点は、その伸縮性がバッテリーの性能に影響を与えず、約70回の充放電サイクル後も電荷貯蔵容量を維持できることです。
以下のセクションでは、このバッテリーの特性を詳しく見ていきます。
同じ特性で電子機器を強化する曲げ可能かつ伸縮可能なバッテリー
現在の研究はこの分野での画期的な成果です。これまで、曲げ可能かつ伸縮可能なバッテリーを構築しようとする試みは、導電性織物や折りたたみ可能な形状にした剛性部品を使用し、日本の折り紙のように行われてきました。
しかし、この技術には問題があり、真に可塑性のあるバッテリーは、電荷を集める電極や中央の電解質層の電荷バランス部品を含むすべての部品が弾性である必要があります。
しかし、これまでに見たプロトタイプは完全な弾性を備えておらず、適度な弾性しかなく、組み立て工程が複雑で、特に繰り返しの充放電で長時間使用した際のエネルギー貯蔵容量が制限されています。
充電効率の低下は、電解質層と電極間の接続が弱いことに起因します。また、液体電解質は形状が変わると不安定になり、バッテリーが変形する際に移動してしまう可能性があります。
チームはこれらの問題を検討し、解決策を考案しました。
完全な弾性を実現する革新的なソリューション
チームは電解質をポリマー層で使用することを考えました 二つの柔軟な電極フィルムの間に融合させ、完全に固体で伸縮性のあるバッテリーを作成しました。
電極について、チームは銀ナノワイヤー、カーボンブラック、リチウム系正極または負極材料を含む導電性ペーストの薄膜をプレート上に塗布する戦略を考案しました。
次に、コンタクトレンズに一般的に使用される柔軟素材であるポリジメチルシロキサンの層をペーストの上に塗布しました。
最後に、全体の上部にリチウム塩という高導電性液体と、伸縮性ポリマーを作るための成分を加えました。
これらを複数層に積み重ね、光で活性化すると、成分が結合して固体のゴム状層を形成し、元の長さの最大5000%まで伸びてもリチウムイオンの輸送に問題がありませんでした。
全体のデバイスは保護コーティングで封止され、前述のようにスタックには追加の電極フィルム層が含まれていました。
研究者は自らのソリューションを、市場で同様の目的を目指す既存のソリューションと比較しました。比較結果は以下の通りです：
新しい固体・伸縮性バッテリーデザインと従来の液体電解質で駆動されるデバイスとの比較
- 新バージョンは、平均充電容量が6倍に高く、急速充電速度を提供しました。
- 新ソリューションは、67回の充放電サイクル中に安定性を向上させたまま動作できました。
- ポリマー電解質は1000サイクルにわたり安定して動作し、最初の30サイクルで容量は1%低下しました。一方、液体電解質では低下率が最大16%でした。
研究者は、まだ達成すべきことが多く残っているものの、本研究とその成果は、身体に合わせて曲がり動くウェアラブルまたは埋め込み型デバイスの創出に向けた極めて前向きで有望な一歩であると考えています。
研究機関は常に業界の進化を牽引する先駆者ですが、すべてのイノベーションが実生活で実用的であるとは限りません。イノベーションは適用性の要素を持ち、スケールアップされた運用パラダイムでの採用に適している必要があります。
2019年に、別の研究チームは、ジョンズ・ホプキンス応用物理研究所の研究者が、切断、浸水、シミュレートされた弾道衝撃などの過酷な条件下でも動作できる柔軟なリチウムイオンバッテリーを開発しました。研究者はまた、バッテリーが不燃性であることも保証しました。
「Water-In-Salt」および「Water-In-Bisalt」電解質による柔軟で不燃性バッテリー
研究者は、新しいクラスの「water-in-salt」および「water-in-bisalt」電解質（WiS と WiBS と呼ばれる）を発見し、これらをポリマーマトリックスに組み込むことで水活性を低減し、バッテリーのエネルギー性能と寿命を向上させることができるという新たな洞察を提供しました。
同時に、このメカニズムはバッテリーを燃焼性、毒性、そして高反応性溶媒から解放しました。その結果、安全で高出力な柔軟バッテリーが実現しました。
APLの研究・探索開発部門のコンスタンティノス・ゲラソポウロス氏（研究リーダー）によれば：
「リチウムイオンバッテリーはすでに私たちの日常生活、電話から自動車まで常に存在しており、その安全性を向上させることはエネルギー貯蔵技術のさらなる進歩にとって極めて重要です。」
研究の重要性を説明し、彼は次のように述べました：
「私たちの最近の論文は、空気中で構築・運用できる水系柔軟ポリマーリチウムイオンバッテリーの使いやすさと性能の向上を示しています。」
進行中の研究は多くのブレークスルーを提供していますが、一部の企業は電子機器向けの柔軟バッテリーの製造でも一貫しています。
#1. サムスン
4年以上前、世界知的所有権機関（WIPO）のデータベースに追加された特許は、サムスンが同様の電話を駆動する折りたたみ可能バッテリーを開発したことを示しています。この特許取得バッテリーは、層構造によりセル同士が柔軟な接合部で接続できるよう設計されました。この柔軟な接続はデバイスのヒンジ部分を横切り、2つの独立した固体バッテリーが必要なくなります。
報告によれば、この特許はサムスンのGalaxy Foldシリーズに適合するバッテリーの製造に関するものでした。 このバッテリーソリューションの成功により、同社は2つの別々の従来部品を製造する必要がなくなりました。代わりに、中央ストリップで接続されたヒンジを通じて、1つのセルが次のセルへと流れることが可能になりました。
特許はヒンジが「ベース素材」「混合層」「絶縁分離層」で構成されていると主張しました。専門家によれば、このメカニズムはセル内の電荷保持層が相互作用し、統合保護回路モジュール（PCM）を介して電話に電力を供給し、メインボードに接続できるようにします。
Samsung Galaxy Z Fold 6はすでに市場に出ており、サムスンの折りたたみバッテリー技術が成功したことを示唆しています。この電話は7.6インチの大型OLEDディスプレイを搭載し、5G（この場合はT-Mobile）での連続ウェブ閲覧をサポートし、画面輝度は150ニットに設定されています。
デバイスのレビューによると、4回のテストで平均10時間35分のバッテリー持続時間を示し、Google Pixel Fold（10:21）よりも長く、OnePlus Open（11:31）よりは短い結果となりました。
Foldシリーズのバッテリー性能についてレビューアが意見を述べる際、要約すると次のように述べました：
「日常使用では、Z Fold 6はかなり強いバッテリー持続時間を提供すると感じました。混合使用の場合、バッテリー表示は午後8時までに通常20%〜25%の範囲に下がりますが、その時点で充電器に手を伸ばすことになります。しかし、旅行中やSlackを常に使用している日には、もっと長持ちしてほしいと確かに思います。」
総合的に見て、サムスンの折りたたみ・柔軟・曲げ可能な電話バッテリーへの取り組みは成功と言えるでしょう。常に改善の余地があります。
財務的に言えば、サムスン電子は2024年第1四半期の決算を発表し、さまざまなセグメントで大幅な成長を示しました。同社は71.92兆ウォン（520.8億ドル）の連結売上高を達成し、前年同期比13%増加しました。営業利益は6.61兆ウォン（47.8億ドル）に急増し、主にメモリチップとスマートフォン部門の堅調な販売が牽引しました。スマートフォン部門は、Galaxy S24シリーズが売上と営業利益に大きく貢献しました。
#2. ジェナックス
バッテリーの曲げ可能性や伸縮性の分野で先駆的な取り組みを行っているもう一つの企業がジェナックスです。その最も革新的な旗艦製品の一つは、J.Flex、ジェナックスの革新的で柔軟な固体状態の高速充電可能なリチウムイオンバッテリーです。
同社は、この製品がデバイスと完全に曲げ合わせて動作し、電力を犠牲にしないと主張しています。用途としては、ITウェアラブル、健康・フィットネスウェアラブル、ファッション、軍事など幅広い分野に対応しています。
J.Flexバッテリーは曲げたり巻いたりして次世代デバイスの柔軟性を高めることができます。継続的な動的曲げがあっても、曲げないベースラインと同等の効率と容量で動作します。
J.Flexはカスタマイズをサポートし、デザイナーは以前は不可能だった新しい形状やサイズを躊躇なく考案でき、性能を犠牲にしません。また、このバッテリーは国際規格に準拠しており、すべての用途で安全性が確保されています。
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バッテリーを曲げるように：バッテリー曲げ可能性の将来トレンド
この分野で進行中の研究量は、成長の可能性が高いことを示しています。企業は電子機器のデザインでますます革新を追求しています。新しい美学を想像し、最終的にデバイスに電力を供給するバッテリーに対して、曲げ可能性、伸縮可能性、柔軟性の特性への需要を生み出しています。
私たちはすでに2つの研究を検討しましたが、今日の議論を締めくくるために、今後の応用が期待できる別の研究を見てみましょう。ヒューストン大学の研究チームは、完全に伸縮可能な布ベースのリチウムイオンバッテリーのプロトタイプを設計・開発しました。
研究者は導電性銀布をプラットフォーム兼電流収集体として使用し、これは画期的でした。研究の成果と意義を説明する中で、UHの機械工学部ビル・D・クック教授であり、研究を主導したハレ・アルデビリ氏は次のように述べました：
「伸縮可能なバッテリーを伸縮可能なデバイスや衣服と統合することは自然な次のステップのように思えました。ノートパソコンや電話をポケットに折りたたんだり、曲げたり、伸ばしたりすることや、健康をモニタリングするインタラクティブなセンサーを衣服に埋め込むことを想像してください。」
この研究は、日常生活におけるバッテリー利用の新たなフロンティアを開く可能性があるだけでなく、それまで存在した根本的な欠点、すなわち硬さの問題を解消しました。
ジョンズ・ホプキンスの2019年の研究と同様に、UHの研究者は硬いリチウムイオンバッテリー電極を、固体ポリマー電解質を用いたウェアラブルで布ベースの柔軟かつ伸縮可能な電極に変換しました。
アルデビリによれば：
「バッテリー電極は電子とイオンの両方の移動を許容しなければなりません。」
この要求は、編み込まれた銀布を使用することで効率的に満たすことができ、機械的に変形や伸縮が可能でありながら、バッテリー電極が正常に機能するために必要な「電気伝導経路」を提供します。
バッテリー技術はまだ初期テスト段階でしたが、研究者はそれがスマート宇宙服や、人々の健康をモニタリングする衣服に組み込まれた消費者向けエレクトロニクス、さまざまなレベルで人間と相互作用するデバイスに応用できると想像しました。しかし、すべての発明と同様に、この技術の実現可能性は製造規模の拡大やコスト構造の管理などの要因にも依存しています。
今後、スマートフォンにおいてさらなるイノベーションが見られるでしょう。別の成長分野は健康・フィットネス向けのウェアラブル技術です。ファッションやアクセサリーにも電子要素が組み込まれるようになります。
これらすべてが伸縮可能バッテリーへの需要増加につながります。研究者は自らの技術が産業全体で採用が進むのを目にするでしょう。しかし、製造時には安全性、耐久性、性能の側面を忘れてはなりません。
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