https://wired.jp/2018/11/07/graphene-batteries-supercapacitors/
次世代バッテリーのカギは、驚異の素材「グラフェン」が握る
寿命が長く、急速充電が可能な「スーパーキャパシタ（電気二重層コンデンサ）」。リチウムイオン電池といったバッテリーの代替として期待されるこの蓄電装置だが、蓄電できる時間が短いなどの弱点があるため広範な実用には至っていない。いま、その弱点克服のために活用が進められているのが「驚異の素材」と騒がれるグラフェンだ。
英国マンチェスターにある国立グラフェン研究所内部。PHOTO: MATTHEW LLOYD/BLOOMBERG/GETTY IMAGES
セルビアの首都、ベオグラード。その中心部から出るルート「1E」のバス5台は、まるで未来の乗り物だ。
このルートを走るチャリオット・モーターズ製の電気バスは、スーパーキャパシタ（電気二重層コンデンサー）のみで走行する世界初のバスのひとつである。急速に充電可能でバッテリーの代替になると言われているスーパーキャパシタには、エネルギーの蓄積方法に革命を起こす可能性が秘められている。
革命的バッテリーの弱点
スーパーキャパシタは、バッテリーのように電気を化学エネルギーとして蓄えるのではなく、電気を電界に蓄える。ちょうど、風船の表面に静電気がたまるようにだ。
スーパーキャパシタでは化学反応が起こらないため、リチウムイオン電池のような劣化は起こらず、さらにバッテリーよりも格段に速く充電できる。ベオグラードのバスの場合、たった5分の充電で最大18kmの距離を走行可能だ。また、レアアースにも依存しないという利点もある。
では、なぜ電気自動車や電子機器のバッテリーは、まだスーパーキャパシタに代替されていないのだろうか。その理由はふたつある。ひとつは、スペースあたりで蓄積できるエネルギー量が少ないこと。もうひとつは、バッテリーに比べて電力を保持できる時間が短いことだ。スーパーキャパシタは、満充電しても数時間でエネルギーが漏出して空になってしまうこともある。
バスなら停留所ごとに充電できるからそれでも構わないが、終日走行しなければならない乗用車にはあまり役に立たない。しかしいま、多くの研究者やスタートアップが、スーパーキャパシタの改良に取り組んでいる。
頼みの綱になるのは、史上最も騒がれている素材のひとつ、グラフェンだ。
「表面積」がバッテリーの性能を飛躍させる
グラフェンは、炭素原子が六角形構造に並んだシートだ。2004年にマンチェスター大学で発見されると、たちまち驚異の素材と称賛された。
グラフェンは強くて軽く、表面積が大きく、熱伝導にも電気伝導にも優れている。ところが、約束された“グラフェン革命”はまだ実現していない。「グラフェンはまだティーンエージャーのようなものです」と、Graphene@Manchesterの最高経営責任者（CEO）であるジェームズ・ベーカーは言う。
ベオグラードのバスに搭載されたスーパーキャパシタで使われているのは、活性炭だ。グラフェンも炭素の一形状だが、表面積が極めて大きい（表面積はスーパーキャパシタの性能を左右する）。そのためこの素材は、スーパーキャパシタのパフォーマンスを、電気自動車（EV）や家電製品に採用される実用レヴェルにまで、飛躍的に高める可能性を秘めているのだ。
そうなれば、数秒で充電されるスマートフォンや、信号で停止中に電気を補給できる乗用車が登場するかもしれない。
市場に出始めるグラフェン製品
グラフェンバッテリー市場は2022年には1億1,500万ドル（約130億円）に達すると予測されている。しかし、技術が向上するにつれポテンシャルはそれ以上のものになっている。この技術を研究している企業も、大きな注目を浴びているのだ。
そのひとつが、中国企業のドンシュー・オプトエレクトロニクス（東旭光電）だ。同社はノートパソコン用バッテリーの容量をもち、たった15分で充電できるグラフェンスーパーキャパシタを発表した。
バルセロナに本拠を置くスタートアップのアースダス（Earthdas）は、グラフェンを用いて電動自転車やオートバイ用のスーパーキャパシタを開発してきた。これは、リチウムイオン電池の12倍速く充電できるという。販売開始は2018年内の予定だ。
新種のスーパーキャパシタのなかには、厳密に言えばグラフェンではないものも多い。グラフェンは、専門的には炭素の2次元シートのみを指す用語なのだ。
グラフェンの表面積はすでに極めて大きいが、さらに表面積を広げる努力が続けられている。例えば、グラフェンに小さな穴をあけたり、ナノレヴェルでテクスチャリング（表面処理）したりといった試みだ。
エストニアの企業であるスケルトンテック（SkeletonTech）は、カーヴしたグラフェンを組み込んだ多様な製品を提供している。
また、英国オックスフォードシャーに本拠を置くザップゴー（ZapGo）は、単なる平らな層ではなく、起伏のあるグラフェンとカーボンナノチューブの合成物を用いている。同社初の製品（電動スクーター、クルマ用のジャンプスターター）は、18年後半に発売される予定だ。
問題は品質管理と持続可能性
グラフェンスーパーキャパシタの蓄電時間が、ほぼすべての用途でリチウムイオン電池の代わりになるほど伸びるまでには、まだ時間がかかる。そのため、なかにはハイブリッドシステムを提案する人もいる。急速充電にはスーパーキャパシタ、長時間蓄電のためには従来のバッテリーという組み合わせだ。
もうひとつ想定される問題は生産規模の拡大だ。前評判がよすぎるせいで、グラフェン産業は守られない約束とお粗末な品質管理の“地雷原”と化している。このため、英国国立物理学研究所は18年7月、グラフェンの品質保証に関するイニシアチヴを発表した。
全体としてはリチウムイオン電池よりはるかに環境にやさしく、はるかに容易にリサイクルできるとはいえ、グラフェンの標準的な生産過程では、まだ刺激の強い化学物質が使用されている。2030年には1億2,500万台に達する見込みのEVを充電することになるなら、いまのままではサステナブルとは言えない。
しかし、研究者たちがこうした問題を解決できたなら、グラフェンは世の中の成り立ちを根本的に変えてしまうだろう。
「バッテリーのないクルマ」が生まれる日
フランス南部では、NAWAShellのウルリヒ・グレープとパスカル・ブーランジェが、炭素ベースのスーパーキャパシタを電子機器やクルマ、さらにはフットウェアにも組み込もうとしている。
ふたりが開発中の技術には、カーボンナノロッドが使われている。カーボンナノロッドは異素材に混合したり、コーティングしたりできるため、折りたためるスマートフォンやウェアラブル機器用の可撓性ポリマー、あるいは強くて軽い炭素繊維といった素材と組み合わせられるのだ。
NAWAShellの技術は、ケースにバッテリーが内蔵されたノートパソコンなどにも使える。あるいは、エネルギーを巨大なバッテリーではなくドアやシャシー（車台）に蓄えるEVが生まれる可能性もある。
「ある意味『バッテリーのないクルマ』です」とグレープは言う。NAWAShellの現在の技術レヴェルなら、電気軽自動車のシャシーに組み込んだ小型バッテリーで走行距離を15km延ばせるだろうというのが彼の予想だ。やがては、家の壁にもエネルギーストレージを組み込めるようになるだろうと彼らは言う。
2017年、ランボルギーニは、コンセプトカー「Terzo Millennio（テルツォ・ミッレニオ）」の開発におけるマサチューセッツ工科大学（MIT）との提携を発表した。炭素繊維製のボディに組み込んだグラフェンの類似素材を動力源にして走るEVスーパーカー、というのがこのクルマの開発コンセプトだ。
スーパーキャパシタの技術は急速に向上しており、2020年代初めにはスマートフォンに搭載される可能性もあるが、プリウスに電力を供給するようになるまでにはまだ時間がかかりそうだ。ハイエンドのスポーツカーは言うまでもない。
最終的には、グラフェンもしくは同様の素材でできたスーパーキャパシタが世の中の重要な部分を成すだろう。しかし差し当たっては、ベオグラードのバスでよしとするしかないようだ。
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