スマートフォン、タブレット、その他ほとんどの電子機器は充電式バッテリーを使用していますが、数千回使用するとバッテリーの充電能力が低下し始めます。現在のバッテリーは主にリチウムでできており、時間の経過とともにリチウムがバッテリー内部で腐食します。
カリフォルニア大学アーバイン校の研究者たちは、リチウムの代わりに金ナノワイヤーを用いて蓄電を行い、このシステムが従来のリチウム電池構造をはるかに凌駕する耐久性を持つことを発見しました。アーバイン大学の研究チームは、20万回の再充電サイクルを経ましたが、顕著な腐食や劣化は見られませんでした。
しかし、その理由は正確には分かっていません。この実験の当初のアイデアは、固体電池、つまり液体ではなく電解質ゲルを用いて電荷を保持する電池を作ることでした。一般的なリチウム電池のような液体電池は、非常に可燃性が高く、温度に敏感です。アーバイン大学のチームは、液体電池をはるかに厚いゲルに置き換えて実験していました。
「デバイスを循環させ始めたところ、寿命が尽きることはないことに気づきました」と、論文の筆頭著者であるレジナルド・ペナー氏は述べた。「そのメカニズムはまだ解明されていません。」
おそらく皆さんは電池を一度も開けたことがないと思いますが（そうであることを願いますが）、ガジェットに使われている電池のほとんどは液体です。液体が使われる理由の一つは、その導電性により、柔軟かつ部分的な充放電が可能になることです。しかし、導電性の高い電解質ゲルを見つけるのは困難でした。
アーバイン大学のバッテリー技術は、バクテリアほどの太さしかない金ナノワイヤを酸化マンガンでコーティングし、さらに電解質ゲルの層で保護しています。このゲルは金属酸化物コーティングと相互作用することで腐食を防ぎます。ワイヤが長いほど表面積が大きくなり、より多くの電荷を保持できます。他の研究者も長年ナノワイヤの実験を行ってきましたが、保護ゲルの導入は、カリフォルニア大学アーバイン校の研究を他の研究と区別するものです。
「（ゲルは）単にワイヤーをまとめる以上の役割を果たします。実際には、金属酸化物をより柔らかくし、破損しにくくするようです。電荷を蓄えるこの金属酸化物の破壊靭性を高めるのです」とペナー氏は述べた。
この技術は消費者向け電子機器の寿命を400倍に延ばすと期待されていますが、この初期試験プラットフォームは真のバッテリーではありません。バッテリーには、電気をシステムに取り込む陽極と、電気を出力する陰極があります。研究者たちは、この両方ではなく、交互に充電する2つの陰極を連結しました。陰極から陰極への連続的な充電サイクルは、繰り返し充電をテストするのに最適なシステムです。
ペナー氏によると、これは2つのカップの間で水を注ぎ合うようなものだという。片方のカップからもう片方のカップへ数百回移すと、通常は水がこぼれ落ち、「電荷」が減る。これは通常のバッテリーの容量だ。ペナー氏のシステムは「カップ」間で「水」を20万回移し替えたが、わずか5%しか失われなかった。
この実験では微量の金が使用されていますが、それでもバッテリーの製造コストは高くなります。ペナー氏は、この技術が普及すれば、ニッケルのようなより一般的な金属が金の代替となる可能性があると示唆しています。
研究室の今後の研究には、この技術を使って実際にバッテリーを作り、そのプロセスがなぜ機能するのかをさらに調査することが含まれる。
