研究者がグラフェンを開発

ノースカロライナ州立大学（NC州）、国立科学技術開発庁、タイのNSTDA特性評価・試験サービスセンターの研究者らは、糸状の繊維の形状をしたグラフェンベースの陰極を作成した。 その後、研究者らはそのファイバーを使用して、腕時計に電力を供給できる亜鉛イオン電池のプロトタイプを作成することができました。

糸状の正極を備えた電池の試作品。 NCSUウェブサイトからの画像

この概念実証研究は、最終的に衣服に組み込むことができる繊維状バッテリーの開発における一歩前進です。

「最終的には、糸の形をした電池を作りたいと考えています。そうすれば、実際の衣服に装着でき、できれば隠すことができます」と、この研究の責任著者であるノースカロライナ州立大学の繊維工学、化学、科学の准教授、ウェイ・ガオ氏は述べた。 「この研究では、糸状のカソードを作成しました。 私たちの発見は、このような短いファイバーストリップにとってかなり有望なものであり、私たちはこの研究を継続して設計の性能、安全性、機械的特性を向上させたいと考えています。」

正極を作成するために、研究者らはグラフェンを利用して糸状の亜鉛イオン電池を作成した。 研究では、研究者らはさまざまな形状とサイズのさまざまな二酸化マンガン微粒子を作成しました。 次に、溶液紡糸プロセスを使用して、二酸化マンガン粒子が埋め込まれた酸化グラフェン製の繊維を形成しました。 彼らは繊維の電気化学的特性やその他の特性を研究しました。

「私たちは繊維状の亜鉛イオン電池を作ろうとしているので、電池の性能だけでなく機械的特性にも気を配っています。繊維が強くて柔軟性がある必要があるのです」とガオ氏は語った。

研究者らは、カソードの製造に使用した酸化グラフェンと二酸化マンガンの形状が、その電気化学的機能に影響を与えることを発見しました。 具体的には、より短い棒状の二酸化マンガン成分がグラフェンと均一に混合していることを発見し、研究者が機能する電池のプロトタイプとして動作できるファイバーを作成できるようになりました。 比較すると、二酸化マンガンが「ウニ」の形状をしている場合、その繊維は機能する電池として使用できないことがわかりました。

「グラフェンと二酸化マンガンがよく混合されていれば、その繊維を使って機能する電池を作ることができます」と、この研究の筆頭著者でノースカロライナ州立大学の元大学院生であるナカリン・サブジャルンディー氏は述べた。 「二酸化マンガンがウニのような形をしていれば、陰極糸の表面が荒れて使えなくなることになります。」

「棒状の二酸化マンガンが最高のパフォーマンスをもたらしてくれました」とガオ氏は付け加えた。 「これらの粒子は、あらゆる種類のエッジが尖った丸いウニの形をした粒子と比較して、繊維の構成または幾何学的形状を模倣しました。 それらは繊維内での酸化グラフェンナノシートの積層を妨げました。」

電池の性能は低かったものの、研究者らはそれを腕時計の電源として使用することができた。 チームは、設計のパフォーマンスを向上させるための作業を続けたいと考えています。

「この研究は、繊維内の添加剤の形状とサイズが酸化グラフェンの繊維形成プロセスに影響を与えることを示しています」とガオ氏は述べた。 「私たちはこのシステムの開発を続けたいと考えています。 私たちは、市販のバッテリーと同等の設計を目指しています。」