シリコンのナノ粒子を電極に使うことで、バッテリー容量を大幅に増やせる技術の開発が進められている。このリチウムシリコンバッテリーは1年以内にも小型のガジェットで採用される見通しだが、将来的には電気自動車（EV）への採用も期待されている。
TEXT BY DANIEL OBERHAUS
TRANSLATION BY GALILEO
現在のほとんどのリチウムイオンバッテリーではグラファイト（黒鉛）の負極が使われている。HROE/GETTY IMAGES
ジーン・バーディチェフスキーは、バッテリーの可能性を信じている。テスラの7人目の従業員だった彼は、テスラ初の量産車に搭載されたリチウムイオンバッテリーパックの設計チームを指揮した人物だ。このバッテリーパックは、電気自動車（EV）を真剣な検討対象として世界中に確信させた最初のモデル「ロードスター」に搭載されたものである。
それから10年後、EVは平均的なガソリン車には対抗できるようになった。しかし、バッテリー寿命を延ばすことと充電できるエネルギーの量を増やすことを両立するという大きな課題は、引き続き存在する。こうした状況で、道路を走るすべてのクルマをEVにしたいのであれば、根本的に異なるアプローチが必要になる──。それがバーディチェフスキーが気づいたことだった。
こうしてバーディチェフスキーは、さらに優れたバッテリーをつくるために、Sila Nanotechnologiesを2011年に創業した。その際に目を付けた秘密の材料が、シリコンのナノ粒子だった。これをバッテリーの電極に使うと、リチウムイオンバッテリーの性能を一気に引き上げることが可能になる。
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リチウムとシリコンの強力な組み合わせ
このリチウムシリコンバッテリーは研究段階だったが、実用化に向けて多くの企業が競っている。そのうちの1社がSilaだ。各社とも、イヤフォンからクルマにいたるまで、あらゆる電子機器の形状や機能において新たな領域を切り開くことを目指している。
長期的な目標は高出力が求められるEVだが、最初の目標は小型のデヴァイスになる。バーディチェフスキーは2021年2月ごろまでに、初のリチウムシリコンバッテリーを家電製品に搭載しようと計画しているという。彼によると、このバッテリーは1回の充電で利用できる時間が、従来のバッテリーより20パーセント長くなる見通しだ。
シリコンとリチウムは、現代のほとんどのガジェットの心臓部に使われる素晴らしい材料である。バットマンとロビンのコンビにも劣らない強力な組み合わせと言っていいだろう。
スマートフォンやノートPC、スマートウォッチといったガジェットを開けてみれば、懸命に電子を供給しているリチウムイオンバッテリーと、その電子を必要な場所に送るための電子回路が載ったシリコンでつくられた基板がある。だが、バッテリー内の金属が一緒になったしまうと、さまざまな問題が起きる可能性がある。
Sila Nanotechnologiesが開発したリチウムイオンバッテリーのセルの試作品。電極にシリコンを使っている。PHOTOGRAPH BY SILA NANOTECH
負極を膨張させない工夫
リチウムイオンバッテリーを充電する際には、リチウムイオンが負極に引き寄せられる。この負極は、通常はグラファイトと呼ばれる炭素の一種でつくられている。グラファイトをシリコンに置き換えると、はるかに多くの量のリチウムイオンを負極に貯められるようになる。こうしてバッテリーのエネルギー容量が増加する。
ただし、すべてのリチウムイオンを負極に貯め込むと、負極が風船のように膨張する。場合によっては最大で4倍の大きさになることもある。
負極が膨張するとナノ加工されたシリコンの粒子がぼろぼろになり、バッテリーの正極と負極との間でリチウムイオンを運ぶ役割をする電解液と負極との間にある保護層を壊してしまう可能性がある。その状態で時間が経つと、負極と電解液との間に沈殿物が蓄積する。これによってリチウムイオンの効率的な移動が妨害されると同時に、多くのイオンが利用されなくなる。結果として、シリコンの負極によってもたらされた性能の向上も、すぐに失われてしまうのだ。
この問題から抜け出す方法のひとつが、グラファイトで構成される負極全体に、少量の酸化シリコン、つまり砂を振りかけることだ。テスラのバッテリーでは現在、この方法が採用されている。
酸化シリコンを振りかけておくことにより、充電中に負極を膨張させる力が減少する。一方で、負極に貯められるリチウムの量も制限される。こうした改良手法では2桁の性能向上をもたらすには不十分だが、まったく向上しないよりはいい。
シリコン負極に使用する材料の開発に取り組むSila Nanotechnologiesの技術者。PHOTOGRAPH BY SILA NANOTECH
量産と低価格を両立するために
材料メーカーのNanoGraf Technologiesの共同創業者で最高技術責任者（CTO）のケアリー・ヘイナーは、酸化シリコンによるエネルギー容量の損失なしに、シリコンとグラファイトの能力を最大限に引き出せると考えている。同社はグラファイトの“親戚”で、10年のノーベル物理学賞の選定理由となったグラフェンにシリコン粒子を埋め込むことで、バッテリーのエネルギーを増大させることに取り組んでいる。
この設計では、グラフェンの配列構造を利用してシリコンの膨張に余裕をもたせ、電解液との有害な反応から負極を保護する。ヘイナーによると、グラフェン-シリコンの負極は、リチウムイオンバッテリーのエネルギー量を最大で30パーセント増やすことができるという。
ただし、この数字を40～50パーセントに押し上げるには、グラファイトとは完全に縁を切る必要がある。科学者たちは、シリコン負極のつくり方については何年も前から知っているが、製造に必要な高度なナノ加工プロセスを実用的な規模にすることに、いまだに苦労しているからだ。
Silaはシリコンのナノ粒子を量産する方法を考案した最初の企業のひとつだ。同社の開発手法は、シリコンのナノ粒子を堅牢な容器に詰め込み、その容器によってバッテリーの電解液との有害な反応から粒子を保護する。容器の内側は基本的にシリコンのスポンジになっていて、多数の穴が開いている。このため充電中のバッテリーの膨張を吸収できる。
ニューオーリンズにある工場でシリコンナノ粒子をトン単位で生産している材料メーカー、Advanoも同様の方法をとっている。同社ではナノ粒子の生産コストを下げるために、ソーラーパネルなどの電子機器を製造するメーカーから集めたシリコンウェハーのくずを原料に使っている。Advanoの工場では集めたウェハーを化学処理で粉砕し、バッテリーの負極に使えるような高度に加工されたナノ粒子にしている。
Advanoの創業者で最高経営責任者（CEO）のアレクサンダー・ジラウは、「本当の課題は『強力なバッテリーをつくることができるか』ではなく、『何兆個もつくることができるほどバッテリーを安くできるか』なのです」と言う。廃棄物を負極にするというこのルートにより、ジラウは解決策を得たと考えている。
まずは小型のガジェットから
これらの企業のなかで、開発した負極が消費者向けの製品で使われているところは、現時点ではひとつもない。だが、そのために各社ともバッテリーメーカーと協議を続けている。Silaは商品名は公表していないものの、1年以内にワイヤレスイヤフォンとスマートウォッチに自社の負極が使われると見込んでいる。
iPodの開発に携わったトニー・ファデルも投資しているAdvanoも、近い将来に同社の負極を家電製品に搭載する協議に入っているという。EVまでの道のりはまだ長いが、ガジェットで機能することを証明することは小さな一歩になる。
ジョージア工科大学で材料科学を研究しているマシュー・マクダウェルは、「バッテリーの開発ペースはコンピューターのようなほかの技術分野ほど速くありません」と指摘する。その理由についてマクダウェルは、バッテリーの負極のグラファイトをシリコンに置き換えることに伴う変数の複雑な相互作用に対処しなければならないからだと言う。単にエネルギー密度を高めるという問題ではなく、それによってバッテリーの熱安定性や充電速度、寿命などが低下しないことも確認しなければならない。
「バッテリーの能力向上を可能にする一方で、その他すべての基準を満足させるような新しい材料を大規模につくり出すことは非常に難しいのです」と、マクダウェルは言う。「商品化にしばらく時間がかかるのも驚きではありません」
こうした企業が、リチウムシリコンバッテリーの第1弾として小型の家電製品への搭載に向けて取り組んでいるのはこのためだ。リヴァプール大学のスティーヴンソン再生可能エネルギー研究所所長のローレンス・ハードウィックは、小型の家電製品は「手に届きやすい目標」だと言う。
ガジェットのバッテリーなら、数年の寿命があればいい。EVのバッテリーには10年以上の寿命が要求されるうえ、毎日の充電や、温度の変動の大きさ、その他の要因に対応しなければならない。ハードウィックは、エネルギー出力の高さをより長く保てるリチウムシリコンバッテリーをつくることが、「はるかに大きな難題」であると語る。
EVにふさわしいリチウムシリコンバッテリーの量産に立ちはだかる各種の障害については、Silaのバーディチェフスキーも十分に認識している。彼は、EVの量産モデルに搭載されたシリコン負極を目にする時期は、早くても5年以上先になると考えている。それでもいったん登場すれば、リチウムシリコンバッテリーによって自動車業界はもう一度生まれ変わると、バーディチェフスキーは確信している。
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April 21, 2020 at 04:00PM
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