塩粒よりも小さいバッテリーはどれくらいの時間電力を供給できるのでしょうか?

電池は私たちの生活に欠かせないものです。電池には、電気自動車に電力を供給できる大型電池から時計に収まるボタン電池まで、さまざまなサイズがあります。

今まで見た中で最も小さいバッテリーはどれくらい小さいでしょうか?

最近、ドイツのケムニッツ工科大学と中国科学院長春応用化学研究所の研究チームが協力し、塩粒よりも小さい、これまでで最も小さいマイクロバッテリーを開発した。世界最小のコンピューターチップに約10時間電力を供給でき、繰り返し充電できる。

世界最小のマイクロバッテリー（画像出典：参考文献）

電池はどのように機能するのでしょうか?

バッテリーは、2 つの電極が化学エネルギーの形で電気エネルギーを蓄える多層サンドイッチと考えることができます。 2 つの電極間では、電解質が電荷の流れを導き、電極上の 2 つの金属コレクターが電流を外部回路に導きます。電極が小さいほど保持できる電荷量が少なくなり、ひび割れやその他の欠陥により電荷の流れが妨げられる可能性があります。厚い材料層内のイオンと電子の曲がりくねった経路も抵抗を増加させ、電力損失を引き起こす可能性があります。

ボタン電池の構造（画像出典：筆者訳）

マイクロバッテリーの開発には、小型化と高精度化という2つの重要なポイントがあります。 Small はサイズが小さいことを意味します。精密とは、十分なエネルギー密度を持つバッテリーを指し、製造プロセスに特に高い要求が課せられます。

マイクロバッテリーの製造技術は、日常的に使用されるバッテリーの製造技術とはまったく異なります。

高エネルギー密度のボタン電池は湿式化学法で製造され、電池の電極材料と添加剤が金属箔に塗布され、電解質膜が電極間に挟まれ、電極の厚さは最大 100 µm になります。この製造方法で製造される電池電極は厚すぎるが、チップでは数ミクロンの厚さの電極が許容され、保持できる電荷量も限られている。これは、マイクロバッテリーの処理と性能に大きな課題をもたらします。

マイクロバッテリーを小型かつ高精度にするという目標を達成するために、チームは「スイスロール」プロセスを採用しました。 「スイスロール」は、その名の通り、スイスロールのようにバッテリーを層ごとに巻き上げます。

ロールケーキの外観（画像提供：Veer Gallery、参考資料）

「スイスロール」プロセスは、異なるフィルムをコーティングすることで張力のある層状システムを作成します。この張力は、鋼鉄の巻尺内部のバネによってもたらされるエネルギーのようなものです。フィルムが自動的にスイスロール構造に巻き込まれることで張力が解放されます。したがって、この自発的に巻かれる円筒形マイクロバッテリーを構築するのに外力は必要ありません。

標準的な「スイスロール」マイクロバッテリーには、少なくとも 5 つの層 (2 つのコレクター層、カソード膜、アノード膜、および電解質膜) があります。このような複雑な重ね合わせには、極めて高度な製造技術が必要です。さらに、「スイスロールプロセス」では、フィルムの靭性に対する要求が非常に高く、ロールプロセスによって発生するバッテリーの短絡などの問題も回避する必要があります。

ロールケーキ（画像出典：著者による自訳）

マイクロバッテリーは大きな可能性を秘めており、モノのインターネットやマイクロ医療インプラントなどの分野での利用が期待されています。

制作：中国科学博覧会

著者:サーシャ

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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