英国マンチェスターの国立グラフェン研究所のドラフトチャンバー。マシュー・ロイド/ブルームバーグ、ゲッティイメージズ経由
セルビアのベオグラード中心部から1Eバスに乗れば、未来へ向かうことができます。
この路線で運行されている5台のチャリオット電気バスは、バッテリーに代わる急速充電技術であるスーパーキャパシタのみで走行する世界初の電気バスのひとつで、エネルギー貯蔵方法に革命を起こす可能性がある。
スーパーキャパシタ（ウルトラキャパシタとも呼ばれる）は、バッテリーのように電気を化学ポテンシャルとして蓄えるのではなく、風船に集まる静電気のように電界に蓄えます。化学反応が起こらないため、希土類金属に依存し、2年後には埋め立て処分されるリチウムイオン電池のように劣化しません。つまり、スーパーキャパシタははるかに速く充電できます。ベオグラードのバスなら、5分の充電で最大18キロメートル走行できます。
スーパーキャパシタが電気自動車や電子機器のバッテリーにまだ取って代わっていない理由は2つあります。同じスペースに蓄えられるエネルギー量が少なく、蓄えられるエネルギーの持続時間が短いことです。フル充電されたスーパーキャパシタは、数日ではなく数時間で空になってしまう可能性があります。
停留所ごとに充電できるバスなら問題ありませんが、一日中走行する必要がある車にはあまり役に立ちません。しかし現在、多くの研究者やスタートアップ企業がスーパーキャパシタの改良に取り組んでいます。その実現にあたり、彼らは歴史上最も注目を集めた素材の一つ、グラフェンに注目しました。
2004年にマンチェスター大学で発見されたグラフェンは、炭素原子の薄い薄片が六角形構造に配列したもので、瞬く間に驚異の素材として注目を集めました。強くて軽く、表面積が大きく、熱と電気の両方において優れた伝導性を持っています。しかし、期待されていたグラフェン革命はまだ実現していません。「まだ初期段階です」と、Graphene@ManchesterのCEO、ジェームズ・ベイカー氏は言います。
ベオグラードのバスは、活性炭層を導電性プレートに塗布し、電解質溶液に浸した構造のスーパーキャパシタを使用しています。グラフェンも炭素の一種ですが、その巨大な表面積（これがスーパーキャパシタの性能を決定づける）により、スーパーキャパシタの性能を飛躍的に向上させ、電気自動車や民生用機器に実用化できるレベルにまで高める可能性を秘めています。例えば、数秒で充電できるスマートフォンや、信号待ちで停車中に燃料補給できる自動車などが実現できるかもしれません。
続きを読む： 全固体電池とは？そのメリットを解説
グラフェン電池の市場は2022年までに1億1500万ドルに達すると予測されていますが、技術の向上に伴いそれ以上に大きな可能性を秘めており、多くの企業がその研究に大きな関心を集めています。
中国企業の東旭光電は、一般的なノートパソコンのバッテリーと同等の容量を持つグラフェンスーパーキャパシタを発表した。同社は、数時間かかる充電を15分で完了できる。バルセロナに拠点を置くスタートアップ企業アースダスは、グラフェンを用いて電動自転車や電動バイク用のスーパーキャパシタを開発し、リチウムイオンバッテリーの12倍の速さで充電できる。同社は今年後半に販売を開始する予定だ。
この新しいタイプのスーパーキャパシタの多くは、厳密にはグラフェンではありません。グラフェンとは、技術的には二次元炭素シートのみを指します。グラフェンはすでに巨大な表面積を有していますが、グラフェンに小さな穴やチャネルを設けたり、ナノスケールレベルでテクスチャ加工を施したりすることで、表面積を拡大する取り組みが進められています。
エストニアの企業SkeletonTechは、湾曲したグラフェンを組み込んだ幅広い製品を提供しています。一方、オックスフォードシャーに拠点を置くZapGoは、グラフェンとカーボンナノチューブを混合し、単なる平面の層ではなく、凹凸のある形状を実現しています。同社の最初の製品である電動スクーターと自動車用ジャンプスタートキットは、今年後半に発売される予定です。
しかし、グラフェンスーパーキャパシタが十分な長時間の充電を保持し、ほとんどの用途においてリチウムイオンの実用的な代替品となるまでには、まだ課題が残されています。急速充電にはスーパーキャパシタを使用し、長期保存には従来のバッテリーを使用するハイブリッドシステムを提案する人もいます。
もう一つの潜在的な問題は、生産規模の拡大です。グラフェン業界は、誇大宣伝によって約束が破られ、品質管理も不十分という、いわば地雷原と化しています。先月、英国国立物理学研究所は、企業がグラフェンを購入する際に、支払った金額に見合った品質を実際に得られているかどうかを検証するための取り組みを開始しました。
グラフェンは全体的にリチウムイオンよりもはるかに環境に優しく、リサイクルもはるかに簡単ですが、グラフェンの最も一般的な製造プロセスには依然として強力な化学物質が使用されており、2030年までに1億2500万台に達すると予想される電気自動車に供給する場合、持続可能ではない可能性があります。しかし、研究者がこれらの問題を解決できれば（そして彼らはその研究に取り組んでいます）、グラフェンは私たちの世界の構造を根本的に変える可能性があります。
「システム全体を見つめ直し、それを別の視点から捉え始めることが、私にとって非常に刺激的なことです」とベイカー氏は語る。「この構造物を実際にエネルギー貯蔵装置にできるだろうか？ そうすれば、軽量化のメリットに加え、貯蔵容量の増加、そして柔軟性の付加といったメリットも得られ、突如として全く新しいタイプのソリューションが生まれるかもしれません。」
南フランスでは、NAWAShellのウルリッヒ・グレープ氏とパスカル・ブーランジェ氏が、電子機器、車両、さらには靴の構造に炭素ベースのスーパーキャパシターを組み込む計画を立てています。彼らの技術では、1平方センチメートルあたり数十億本の炭素ナノロッドが用いられ、折りたたみ式スマートフォンやウェアラブル端末用のフレキシブルポリマーや、高強度で軽量な炭素繊維など、他の材料に組み込んだりコーティングしたりすることができます。
この技術は、ケースにバッテリーを内蔵したノートパソコンや、かさばるバッテリーパックではなくドアやシャーシにエネルギーを蓄える電気自動車の製造に活用できる可能性があります。「ある意味、バッテリーのない車を持つようなものです」とグレープ氏は述べ、NAWAShellの現在の技術レベルでは、軽量電気自動車のシャーシに小型の構造用バッテリーを搭載することで、航続距離を15km延長できると見積もっています。最終的には、住宅の壁そのものにエネルギー貯蔵装置を組み込むことも可能になるでしょう。「複合材に新しい機能を組み込むのです」とブーランジェ氏は説明します。「構造の機械的挙動は変更しません。」
2017年、ランボルギーニはマサチューセッツ工科大学（MIT）と提携し、カーボンファイバー製の車体にグラフェンのような素材を組み込んだ電気スーパーカーのコンセプトカー「テルツォ・ミッレニオ」を開発すると発表しました。この技術は急速に進歩しており、2020年代初頭にはスマートフォンに搭載される可能性がありますが、プリウスに電力を供給できるほどの性能になるには、ましてや高級スポーツカーに搭載できるまでには、まだしばらく時間がかかるでしょう。いずれ、グラフェンやそれに類似した素材で作られたスーパーキャパシターは、私たちの生活に欠かせないものとなるでしょう。しかし今のところは、ベオグラードのバスでの移動に甘んじるしかありません。
この記事はWIRED UKで最初に公開されました。
