リチウムイオン電池は、電化革命における標準となっています。実際、電池開発においてリチウムイオン電池は紛れもなく不可欠な存在となっており、政府から自動車メーカー、大手石油会社に至るまで、あらゆる企業がこの鉱物資源へのアクセス確保に躍起になっています。
唯一の問題は、リチウムの抽出には費用がかかり、時間と労力がかかることです。そして、その抽出プロセスは環境に悪影響を及ぼします。ニッケル、コバルト、グラファイトなど、バッテリーに使用される他の材料についても同様です。
より効率的で軽量、そして環境に優しいバッテリーの開発を目指し、様々な化学組成を試行錯誤するスタートアップ企業がいくつか登場している。これらの企業は標準的な材料の一部を変更することが多いが、リチウムへの依存を完全に放棄することは稀だ。
シンガポールのスタートアップ企業フリントは、電池内のリチウムを紙に置き換える方法を開発したと発表している。
「紙製バッテリーは世界ではまだごく新しい技術で、現在この技術に取り組んでいる機関はごくわずかです」と、Flintの共同創業者であるカルロ・チャールズ氏はTechCrunchに語った。「私たちは材料の変更に取り組んでおり、リチウム、ニッケル、コバルトを融合させる代わりに、亜鉛、マンガン、セルロースの紙を使用しています。この3つの要素を組み合わせることで、バッテリーの製造方法はそのままに、バッテリーの使用方法を変えることができます。これが、他の戦略やバッテリー技術と比較して、私たちが優位に立っている点です。」
TechCrunch Disrupt 2023 Startup Battlefieldに参加したFlint社は、2022年に紙電池の生産を開始したばかりですが、すでにプロトタイプを製作しています。初期テストは良好な結果を示しており、Flint社は現在、消費者向け製品で紙電池をテストするためのパートナーを探しています。
いいですね、でも、どのように機能するのでしょうか?
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まず、一般的なリチウムイオン電池について少し理解する必要があります。リチウムイオン電池は、アノード（負極）、カソード（正極）、セパレーター、そして電解質の4つの部品で構成されています。電解質は液体で、中間に位置し、充放電時に電極間でイオンを移動させる運搬役として機能します。
フリント社のバッテリーは、亜鉛ベースのアノード、マンガンベースのカソード、そして紙製のセパレーターという3つの部品のみで構成されています。フリント社は、セルロース紙、アノード、そしてカソードをハイドロゲルでコーティングし、真空オーブンで焼成することで、実質的にハイドロゲル強化セルロース紙を作り出します。ハイドロゲルは、温度、pH値、塩分、水分といった環境に応じて構造を変化させる「スマート」な素材です。また、セパレーターと電解質を必要とせずにアノードとカソード間の電子移動を可能にするため、フリント社の秘密兵器ともなっています。
そしてどうやら、その効果は十分に発揮されているようだ。バッテリーの化学組成は変化しているものの、構造と製造工程は変わらない。つまり、フリントのバッテリーは将来、現在のリチウムバッテリーと互換性を持って使用できる可能性がある、とチャールズ氏は言う。
「既存の技術を活用し、私たちのレシピに組み込むだけで、ペーパーバッテリーの生産ラインを簡単に構築できます」と共同創業者は述べ、水素電池やナトリウム電池といった他のソリューションでは製品の製造方法を変える必要があると指摘した。「私たちの素晴らしい点は、メーカーやサプライヤーが古いリチウム電池を私たちのペーパーバッテリーに簡単に交換できるようにしている点です。」
チャールズ氏によると、フリント氏がリチウム、コバルト、ニッケルではなく亜鉛とマンガンを選んだのは、前者2つがより豊富な資源であり、これはバッテリー業界の持続可能性を議論する上で重要だからだ という。また、亜鉛とマンガンは現在使用されている反応性の高い材料よりも安全だとも述べた。リチウムバッテリーに起因する数々のバッテリー火災を見れば、より安全な重要材料が魅力的な選択肢であることは明らかだ。
「当社のバッテリーは文字通り動作中に切断できますが、リチウムバッテリーに予想されるような過熱や爆発を起こすことなく動作し続けます」とチャールズ氏は述べた。
フリント氏の紙電池に使用されている材料は、マイナス15℃から80℃までの温度範囲で動作することを可能にし、製品の可能性を広げるとともに、経年劣化による効率低下がないことを示す好例となる。フリント氏によると、現在の電池に使用されている材料はマイナス15℃から35℃までしか動作しないという。
「リチウム電池は重量、容量、容積の点では実に優れていますが、コストと安全性の点ではそれほど効率的ではありません」とチャールズ氏は語った。
フリント社のペーパーバッテリーはコストと安全性の面で飛躍的な進歩を遂げており、電圧と電流に関しては既にリチウムバッテリーの基準を満たしています。しかし、ペーパーバッテリーがリチウムバッテリーの容量に匹敵するには、まだ長い道のりがあります。具体的には、フリント社はバッテリーの体積密度を高める必要があります。
「例えば、この紙電池を単3電池に巻いた場合、リチウム電池のエネルギー密度の60%から70%程度しか提供できません」とチャールズ氏は述べた。「そこで私たちは2つのことに焦点を当てています。1つ目は、この数値をより高い水準に引き上げること。2つ目は、エネルギー密度がそれほど重要ではない用途で、これらの数値を活用できる可能性があるかどうかを確認することです。」
フリント社は、バッテリーを市場に出す前に、そのライフサイクルを改善する必要もあります。チャールズ氏によると、2,000回のライフサイクルテストを経たリチウムバッテリーは、その健全性は60%まで低下するとのこと。フリント社には1,000回のライフサイクルテストを行うリソースしかありませんが、そのライフサイクルを過ぎるとバッテリーの健全性は70%まで低下します。
チャールズ氏は、フリントの限られたリソースの中で、5人のスタッフと4人のアドバイザーからなる小規模チームが成し遂げた成果を誇りに思うと述べた。このスタートアップは5万ドルの自己資金に加え、シンガポール政府から10万ドルの支援を受けた。そのおかげで、フリントはクリーンルームを共同でマクガイバーのように整備し、バッテリーの製造と試験を行うことができた。
電池は、埃ひとつなく、湿気も一滴もないほど清潔で乾燥した部屋で作られるべきです。作業環境は精密でなければならず、使用される機械は通常自動化されています。チャールズは、フリントが現在試作品を製造している「非常にオープンな環境」を「まさに電池を作るべきではない場所」だと冗談交じりに表現しました。
「最近、バッテリー工場に行ったんですが、粉末を入れて液体にする大きなスラリーマシンがあって、私の部屋の半分くらいの広さのその巨大な機械を、スラリーの部品一つを作るのに12時間も稼働させているんです」とチャールズは言った。「私たちがバッテリーを作るのに何をしているか知っていますか？泡立て器を使って、3時間手で泡立てるんです。それでも、数字はまずまずです。もし私たちにも、あの資源と設備があったらどうなるか想像してみてください。」
プロトタイプから製品へ
フリント社は、電池の化学的性質を最適化するための最終段階にあります。今後は、まもなく製造・生産体制を整え、他社にもフリント社の紙電池を採用してもらうよう働きかけていく予定です。
チャールズ氏によると、当初の事業規模拡大に向けて、フリント社は重量、容量、体積という3つのベンチマークのうち2つに注力する必要があるという。もし重量の適正化を犠牲にして体積の削減と容量の増加に注力することができれば、エネルギー貯蔵システム（ESS）の市場参入も検討できる。チャールズ氏によると、フリント社はすでにシンガポール最大のESSプロバイダーの1社と提携しているという。
同社はまた、容量を犠牲にして、より軽量で体積の少ないバッテリーの製造に注力することもでき、これはリモートセンサーやウェアラブル機器に理想的な用途をもたらすだろう。
長期的なビジョンとしては、体積を犠牲にして容量を増やし、重量を減らす方法を見つけ出し、バッテリーを電気自動車により適したものにすることだ。
「エアバスと協議を進めています。同社は将来に向けて航空機の電動化を目指しています」とチャールズ氏は語った。「長期的には、紙で柔軟性のあるバッテリーをカスタム形状で製造し、エアバスを支援したいと考えています。翼の形状や、航空機の曲面全体の形状にも対応可能です。」
