グラフェン電池とテクノロジーを詳しく解説

エネルギー省の太平洋北西部国立研究所（PNNL）とメリーランド州ジェサップのフォルベック・マテリアルズ・コーポレーションが開発した電池材料により、リチウムイオン電池を使用する電動工具やその他の機器の充電が可能になったほんの数分で時間ではなく。 さらに、グラフェン電池技術は、新しいリチウムイオン電池ソリューションにカーボンの代わりにシリコン陽極を使用することで容量の増加を約束します。

さらに、Positec (Worx、Rockwell、Kress を製造) などのいくつかのメーカーは、一部のポータブル電動工具にグラフェン バッテリー技術をすでに使用しています。

グラフェンは炭素原子の単層として存在します。 これらの原子は、規則正しく六角形のパターンで配置されています。 グラフェンは、高い電気伝導性、優れた機械的強度、高い熱伝導性など、いくつかの利点をもたらすいくつかのユニークな物理的および化学的特性を備えた、ほぼ「二次元」の材料として機能します。

実際、グラフェンは銅よりも電気を伝導する効果が 100 倍優れています。 また、シリコンよりも最大 140 倍の速さで電子を通過させます。 これが、バッテリーをより迅速に充電する方法を発見する上でグラフェン素材が非常に重要である理由です。

メーカー (および科学者) は、グラフェンが幅広い用途に有望な材料であると考えています。 研究と今日の使用状況の両方に基づいて、それはエレクトロニクス、エネルギー貯蔵、複合材料において非常に重要な役割を果たす可能性があります。 グラフェンのユニークな特性を考慮すると、実際には、最高の電動工具で利用できるエネルギー貯蔵と電力密度に革命をもたらす可能性があります。

グラフェン電池の発明は、単一原子の形でグラフェンを取得する方法の発見から始まりました。 これは通常、英国マンチェスター大学の研究者チームによるものだと考えられています。 ノーベル賞受賞者のアンドレ・ガイム卿とロシア系イギリス人の物理学者コンスタンチン・ノボセロフが率いる研究チームは、2004年にグラフェンの興味深い特質を発見した。

アンドレとコスティアが毎週行っている「金曜日の夜の実験」の1つで、2人の科学者は粘着テープを使用して、塊状の黒鉛の塊から一部の薄片を取り除きました。 一部のフレークが他のフレークより薄いことに気づき、実験を続けました。 グラファイトの破片を繰り返し分離することにより、最終的には原子 1 個分の厚さのフレークが作成されました。 この実験により、初めてグラフェンが分離されました。

Vorbeck Materials Corp. は、プリンストン大学の化学生物工学教授 Ilhan Aksay と協力しました。 太平洋岸北西部国立研究所 (PNNL) は、少量のグラフェン (炭素原子の極薄シート) がリチウムイオン電池の出力とサイクル安定性を劇的に改善できることを実証しました。 さらに、高いエネルギー貯蔵容量を維持しながらこれを行うことができます。

2016 年、北京に本拠を置く Dongxu Optoelectronic Technology は、4800 mAh G-King バッテリーをデビューさせました。 このラップトップ スタイルのバッテリーは 15 分以内に再充電され、最大 3500 サイクルをサポートします。

2017年、サムスン先進技術研究所（SAIT）は「グラフェンボール」を発表した。 このユニークなバッテリー素材は、標準的なリチウムイオンバッテリーの最大 5 倍の充電速度と相まって、蓄電容量が 45% 増加しました。

この新技術は、EVだけでなくモバイル機器にも大きなメリットをもたらすと期待されています。 グラフェンボールが摂氏60度の安定した温度を維持できることがわかれば、EV市場は非常に理にかなっています。

サムスンは、グラフェンを 3D 形状に合成してバッテリーに応用する方法を先駆的に開発しました。 これには、手頃な価格のシリカ (SiO2) を使用しました。 彼らは、この「グラフェンボール」をリチウムイオン電池のアノード保護層とカソード材料の両方に適用しました。

標準的なリチウムイオン電池の出力密度は増加し続けていますが、充電時間の短縮に関しては大きな進歩はありません。 グラフェン電池には、標準のリチウムイオン電池に比べて 2 つの大きな利点があります。

その仕組みは、少なくとも理論的にはシンプルです。 グラフェンベースのバッテリーの使用は、まったく新しい方向性です。 バッテリーセルをより迅速に充電します。 リチウムイオン電池は、液体電解質を使用して正極と負極の間でリチウムイオンを移動させることによって機能します。 これには、特に充電段階ではある程度の時間がかかります。

ただし、陰極をグラフェンでコーティングして改良すると、より多くのイオンが移動できるようになります。 これにより、転送速度も向上します。

これに加えて、研究者らはナノテクノロジーを別の方法で利用することを計画している。 グラフェンのナノテク特性は、再利用可能なシリコンベースのアノードの製造に役立ちます。 これらにより、バッテリーの全体的な貯蔵能力が強化されます。 グラフェン バッテリーの方程式は次のようになります。

より多くのストレージ + 高速充電 + 低温で安定した動作温度

アノードとカソードをグラフェンのナノサイズのシートまたはボールでコーティングすると、充電が速くなり、電力密度が向上し、熱管理が向上するため、電動工具には多くの利点があります。 大容量のコードレス ドリルや丸ノコのバッテリーは、1 時間ではなくわずか数分で充電できます。 また、5 倍の時間実行できる可能性もあります。

また、充電時間が速いと、放電時間も速くなります。 つまり、グラフェンバッテリーからより多くの電力をより迅速に取り出すことができます。 これにより、さらに強力なコード付きツールや機器をより迅速にバッテリー プラットフォームに導入できる可能性があります。 電力供給はそれほど問題になりません。

さらに、充電時間の大幅な改善が見られるため、「終日稼働時間」という概念がますます大きなツールにまで拡大します。 ミルウォーキー MX FUEL の機器ラインは、この可能性を示す好例です。 バッテリーを十分に速く充電できるため、大型のツールでも 1 つのパックを稼働させながら、別のパックを充電することができます。 充電時間が予想される実際の実行時間内にあれば、結果的に 1 日中使用できます。

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研究者たちは、導電性を強化するグラフェンの機能に非常に自信を持っています。 実際、グラフェンベースの携帯電話バッテリーは現在完全に充電するのに 1 ～ 5 時間かかりますが、その時間が 10 分未満に短縮されると彼らは主張しています。

グラフェン電池はすでに市場に出回っています。 CAT ブランドの電動工具は、5Ah バッテリーを 20 分以内に再充電できるグラフェン バッテリー技術を採用していると主張しています。 また、リチウムイオンに比べて 4 倍長い寿命と、より低い動作温度を誇ります。 他のメーカーも追随することは確実であり、グラフェン技術を搭載したバッテリーをすでにリリースしているものの、まだそのように販売していないメーカーもあるかもしれません。

さまざまな場所で市場に参入しているのを目にする非常に興味深いものは、グラフェンを動力源とするスーパーキャパシタという名前で呼ばれています。 ある会社、Skeleton は、SkelCap シリーズを含むいくつかの異なる製品をすでに市場に提供しています。 これらの湾曲したグラフェン スーパーキャパシタは、高いエネルギー密度と低い内部抵抗を特徴としています。

ご想像のとおり、エネルギー密度が向上するということは、これらのバッテリーが EV、重量輸送および産業市場にぴったり適合することを意味します。 これらの分野では、重量とスペースの両方が車両の効率において重要な役割を果たします。

グラフェン スーパーキャパシタは、高電流負荷下でも発熱が少なくなります。 これらのグラフェン スーパーキャパシタは、より多くの表面積を電流にさらす湾曲したデザインを特徴としています。 これにより抵抗が減少し、効率が向上します。

最後に、Skeleton は、グラフェンを使用したスーパーキャパシタのアプリケーション寿命が最大 15 年以上であると主張しています。 EV や重機を見ると、15 年の寿命が本当に意味を持ち始めます。 この特定の技術は、まず商用車と一部の電気自動車に導入されると予想されます。

2016年、中国に本拠を置くファーウェイは、リチウムイオン電池研究における大きな進歩を発表した。 日本で開催された第57回電池シンポジウムで、同社は高温に耐えることができる世界初の長寿命グラフェンアシストリチウムイオン電池を発表した。 彼らは当時、すでに市場に出ている既存のバッテリーと比較して摂氏5度の低下を主張した。

現場に適用すると、現実世界の環境改善が最大 10 ℃ 改善されました。アプリケーションには、暑い気候と頻繁な停電の両方がある地域 (アフリカなど) が含まれます。 EV への応用も可能性として残っています。

2023 年の時点で、この技術は、携帯電話のバッテリーから熱を伝導するために使用される同社のグラフェン フィルム冷却技術に導入されています。 このように、ファーウェイは、実際のバッテリー内でグラフェンを使用するのではなく、グラフェンの急速な熱伝導特性に主に依存し続けています。

現在の同社へのチップの封鎖を受けて、ファーウェイはまた、従来のシリコン技術に匹敵する新しいチップ技術を開発するために、自社の半導体とトランジスタにグラフェンの使用を開始することを計画している。 グラフェン（カーボン ナノチューブ チップ経由）の使用により、通信速度が向上し、コストが削減される可能性もあります。

Strategic Elements は、酸化グラフェンをベースにした液体インクを使用する新しいバッテリー技術に取り組んでいます。 このプロセスには、ガラス上に酸化グラフェンインクをコーティングすることが含まれます。 わずか数分で、空気中や皮膚に存在する湿気からエネルギーを収集して自己充電できると考えられています。 Strategic Elements はニューサウスウェールズ大学と協力してテクノロジーのテストと開発を行っています。 彼らは、新しい酸化グラフェン電池技術を、IoT デバイスの多様な市場にターゲットにする予定です。

空気中の湿気や皮膚上の湿気から充電できる可能性を備えた酸化グラフェン電池は、時計や低電力電子書籍リーダーなどにとって驚くべき進歩のように思えます。 手動充電や配線が不要になることを想像してみてください。 詳細については、こちらをご覧ください。

GMG は、クイーンズランド大学研究および UniQuest と協力して、グラフェン アルミニウム イオン バッテリー技術を開発中です。 新しい配合は、現在のリチウムイオン電池技術と比較して、高いエネルギーと出力密度を特徴とします。 バッテリー寿命が最大 3 倍長く、充電速度が最大 70 倍高速になっています。

2022年6月の時点で、GMGはすでにパウチセル形式でグラフェンアルミニウムイオン電池を製造している。 GMG は、最初の商用コインセル グラフェン アルミニウム イオン (G+AI) 電池製造施設を建設し、その後並列パウチセル電池を大量生産する計画を立てています。

NASAも負けじと、SABERS固体グラフェン電池を開発する計画を立てている。 SABERS は、再充電性と安全性を強化したソリッドステート アーキテクチャ バッテリーの略です。 NASA SABERS バッテリーは、オハイオ州クリーブランドのグレン研究センターとバージニア州ハンプトンのラングレー研究センターで長年開発が進められており、バッテリー駆動の飛行など、これまで不可能と考えられていた用途を可能にすることを目指しています。

グラフェンバッテリー (またはその他のバッテリー) を飛行に適したものにするためには、いくつかのことが必要です。 適切な電力密度、つまりより少ないスペースでより多くの電力が必要です。 バッテリーの重量もできるだけ軽くする必要があります。 迅速に放電でき、あらゆる用途に対応できる必要があります。

また、数百人の乗客を運ぶ可能性のある車両に電力を供給する必要があるため、非常に安全である必要もあります。 これは、潜在的に有毒または可燃性の化学物質を排除することを意味します。 報道によれば、これまでのところ、SABERS は説得力のあるソリューションを提示する予定です…最終的には。

SABERS 固体グラフェン バッテリーは現在、1 キログラムあたり 500 ワット時を供給します。 これは、現在のEVで使用されている最高のバッテリー技術の約2倍のエネルギー密度に相当します。 地域の飛行目標は約 480 ワット時です。 詳細については、こちらをご覧ください。

グラフェンベースのナノテクノロジーの将来に関しては、依然として複雑で高価なプロセスが続いています。 さらなる研究と規模の経済性により、コードレス電動工具はより長時間稼働できるようになるはずです。 また、メーカーはより多くの電力をより小さなパッケージに詰め込むことができるはずです。 より低い動作温度とより高速な充電の間で、グラフェン バッテリー技術は、今後 5 ～ 10 年以内にコードレス工具、EV、重機に革命をもたらす可能性があります。

グラフェン電池技術が進むであろう方向性を選択するのではなく、それがあらゆる分野に影響を与えるだろうと私たちは想像しています。 これには、ソリッドステート、冷却技術での使用、充電を高速化するための湾曲したソリューション、アノードとカソードへの完全な統合が含まれます。 これまでに見てきたより高度な発表のいくつかについて、その可能性を想像してみてください。 2 倍の出力密度を持つグラフェンベースのバッテリーを EV に搭載すると、1 回の充電で最大 1,000 マイル走行できる可能性があります。 また、走行距離約 350 マイルの現行車両と同じ (またはそれ以下) の時間で充電できるようになります。

それは確かに私たちの想像力を飛躍的に高めます！