スーパーチャージリチウムシリコン電池の時代へようこそ

ジーン・ベルディチェフスキーはバッテリーの真価を信じている。テスラで7番目の従業員として、彼は同社初の電気自動車「ロードスター」用のリチウムイオンバッテリーパックを設計するチームを率い、世界に電気自動車を真剣に検討させるきっかけを作った。それから10年、電気自動車は平均的なガソリン車に匹敵する性能を持つようになったが、バッテリーの寿命と搭載エネルギー量の間には依然として大きなトレードオフが存在する。ベルディチェフスキーは、道路を完全に電化するには、根本的に異なるアプローチが必要だと気づいた。

2011年、ベルディチェフスキー氏はより優れたバッテリーを開発するため、Sila Nanotechnologiesを設立しました。彼の秘密の材料は、ナノエンジニアリングされたシリコン粒子です。これをバッテリーの負極（アノード）として使用すると、リチウムイオンセルを過充電することができます。現在、Silaは、リチウムシリコンバッテリーを研究室から実用化すべく競争を繰り広げている数少ない企業の一つであり、イヤホンから自動車に至るまで、様々な電子機器の形状と機能の新たな境地を開拓することを約束しています。

長期的な目標は高エネルギーEVだが、まずは小型デバイスの開発に着手する。ベルディチェフスキー氏は来年の今頃までに、民生用電子機器に初めてリチウムシリコン電池を搭載する計画だ。これにより、1回の充電で20%も駆動時間が延びるという。現代のガジェットの心臓部を支える光り輝く素材であるシリコンとリチウムは、バットマンとロビンにも匹敵するダイナミックなコンビだ。お気に入りの携帯機器（スマートフォン、ノートパソコン、スマートウォッチなど）を開けてみると、電子を供給しようと躍起になっているリチウムイオン電池と、電子を必要な場所に送るシリコンを含浸させた回路基板が見つかるだろう。しかし、これらの金属をバッテリー内で組み合わせると、さまざまな問題が生じる可能性がある。

リチウムイオン電池を充電すると、リチウムイオンは負極に流れ込みます。負極は通常、グラファイトと呼ばれる炭素質でできています。グラファイトをシリコンに置き換えると、負極にはるかに多くのリチウムイオンを蓄えることができ、電池のエネルギー容量が増加します。しかし、これらのリチウムイオンをすべて電極に詰め込むと、電極は風船のように膨らみ、場合によっては最大4倍の大きさになることがあります。

膨張した負極は、ナノ加工されたシリコン粒子を粉砕し、負極と電池電解質の間の保護バリア（リチウムイオンを電極間で輸送する役割）を破壊する可能性があります。時間の経過とともに、負極と電解質の境界に汚れが蓄積します。これはリチウムイオンの効率的な輸送を阻害し、多くのイオンを利用できなくします。シリコン負極がもたらす性能向上は、あっという間に失われてしまいます。

この問題の解決策の一つは、グラファイト陽極全体に少量の酸化ケイ素（通称砂）を散布することです。テスラは現在、この方法でバッテリーを充電しています。酸化ケイ素はあらかじめ膨らませた状態で提供されるため、充電中の陽極の膨張によるストレスを軽減します。しかし、陽極に蓄えられるリチウムの量は制限されます。この方法でバッテリーを充電しても、性能を2桁向上させるには不十分ですが、何もしないよりはましです。

NanoGrafの共同創業者兼CTOであるキャリー・ヘイナー氏は、シリコン酸化物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長所を最大限に引き出すことが可能だと考えています。NanoGrafでは、彼と同僚たちは、グラファイトのノーベル賞受賞のいとこであるグラフェンにシリコン粒子を埋め込むことで、炭素シリコン電池のエネルギーを増強しています。彼らの設計では、グラフェンマトリックスを用いることでシリコンが膨張する余地を確保し、負極を電解質との有害な反応から保護しています。ヘイナー氏によると、グラフェンシリコン負極はリチウムイオン電池のエネルギー量を最大30%増加させることができるとのことです。

しかし、その数字を40～50%の範囲に押し上げるには、グラファイトを完全に排除する必要があります。科学者たちはシリコン陽極の製造方法を長年知っていましたが、その製造に必要な高度なナノエンジニアリングプロセスのスケールアップに苦労してきました。

Sila社は、シリコンナノ粒子の大量生産方法をいち早く確立した企業の一つです。彼らのソリューションは、シリコンナノ粒子を硬質シェルに詰め込むことで、バッテリーの電解液との有害な相互作用から保護するというものです。シェルの内側は基本的にシリコンスポンジで、その多孔質構造により、バッテリーの充電時に膨張するのを吸収することができます。

これは、ニューオーリンズの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のAdvano社が採用しているアプローチと似ています。ナノ粒子の製造コストを削減するため、Advano社は太陽光パネルやその他の電子機器を製造する企業からシリコンウエハーのスクラップを原料として調達しています。Advano社の工場では、化学プロセスを用いてウエハーを粉砕し、バッテリーのアノードに使用できる高度に設計されたナノ粒子へと加工しています。

「真の問題は『強力なバッテリーを作れるか？』ではなく、『そのバッテリーを何兆個も製造できるほど安価にできるか？』です」と、アドヴァノの創業者兼CEOであるアレクサンダー・ジラウ氏は語る。このスクラップからアノードを製造するパイプラインがあれば、解決策が見つかるとジラウ氏は信じている。

今のところ、これらの企業のいずれも自社のアノード材料が消費者向け製品に採用されたことはありませんが、各社はバッテリーメーカーと協議を進めており、実現に向け準備を進めています。Sila社は、1年以内にワイヤレスイヤホンやスマートウォッチ（商品名は未定）に自社のアノードが採用されると見込んでいます。iPodの共同開発者であるトニー・ファデル氏も投資家に名を連ねるAdvano社も、近い将来、消費者向け電子機器に自社のアノードを採用する交渉を進めています。EVの実用化には程遠いですが、この技術がガジェットで実用可能であることを証明できたことは、EV化に向けた小さな一歩と言えるでしょう。

「バッテリー開発のペースは、コンピューティングなどの他の技術分野ほど速くはありません」と、ジョージア工科大学の材料科学者であるマシュー・マクドウェル氏は言います。その理由は、バッテリーの負極をグラファイトからシリコンに置き換える際に、様々な変数が複雑に絡み合うことにあると彼は言います。これは単にエネルギー密度を高めるだけでなく、バッテリーの熱安定性、充電速度、寿命を低下させないようにすることも重要です。

「容量を向上させつつ、他のすべての基準を満たす新しい材料を大規模に開発することは大きな課題です」とマクダウェル氏は語る。「商業化に時間がかかったのも不思議ではありません。」

そのため、企業はシリコン-リチウム電池の第一波として小型家電製品から着手している。スティーブンソン再生可能エネルギー研究所所長のローレンス・ハードウィック氏は、これらは「容易に実現可能な」製品だと述べている。ガジェットに搭載される電池は数年しか持たなくても十分だが、EVには10年以上持続し、毎日の充電、幅広い温度変化、その他の特有のストレス要因に耐えられる電池が求められる。ハードウィック氏によると、長期間にわたって高いエネルギーを維持するリチウム-シリコン電池の開発は「はるかに大きな課題」だという。

ベルディチェフスキー氏は、EVに適したリチウムシリコン電池の大量生産における障害を十分に認識している。彼は、シリコンアノードが市販EVに搭載されるのは少なくとも2020年代半ば以降になると予想している。しかし、ひとたびそれが実現すれば、リチウムイオン電池が自動車産業を再び変革するだろうと彼は信じている。

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