韓国の化学者は、伸縮性リチウムイオン電池の導電性要素および電極として使用できるハイブリッド複合材料を開発しました。このような材料をベースにした電池の電気伝導率は、200％引き伸ばされた場合でも、1.5倍以下しか低下しないと科学者たちはAdvancedEnergyMaterialsに書いています。
フレキシブル電子機器（スマートウェアなど）の電源は、バッテリーの電気的および機械的特性を変えないように伸ばす必要があります。リチウムイオン電池は、電池の可能性があると見なされることもありますが、安全ではないことが知られており、変形すると発火または爆発する可能性があります。より安全な代替手段として、科学者は水性電解質を備えたリチウムイオン電池の使用を提案していますが、そのようなセルについては、繰り返し変形してもその有効性と導電性を失わない材料はまだ提案されていません。通常、彼らは導電性ポリマーまたは複合材料のいずれかを延伸電池の導電性要素として使用しようとしますが、そこでは導電性部分と弾性部分が分離されますが、提案されたオプションのほとんどは機械的安定性に欠けるか、高延伸下で導電率が低下しすぎます。
蔚山国立科学技術大学のSoojinParkが率いる化学者は、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、弾性不活性ポリマー材料を含むハイブリッド複合材料で構成される水リチウムイオン電池に電極と導電性要素を使用することを提案しました。このような複合材料の動作原理は、ポリマー物質を十分に大きな変形まで自由に伸ばすことができる一方で、導電性カーボンフィラーの再配列により、材料の導電性が失われないことです。
張力下のポリマー材料の顕微鏡写真
張力下での導電性カーボンメッシュの構成の変更
このような材料を得るために、科学者は、不活性ポリエステル化合物に基づく弾性ポリマーマトリックスに2種類の炭素材料を適用しました。直径が約50ナノメートルのナノチューブとすすナノ粒子です。その結果、小さな球状粒子でコーティングされたナノチューブのネットワークが、60〜100ミクロンの細孔を有する多孔質ポリマーマトリックス上に形成された。
作品の著者は、電極のこの構造をジャボチカバまたは「ブラジルのブドウ」と比較します。これは、果実が幹と主枝にクラスター状に成長する木です。ジャボチカバの果実のようにナノチューブを覆うナノ粒子は、ナノチューブ間の一種の橋となり、ネットワークの構成を変更し、ある接触から別の接触に切り替えることにより、ストレッチ中に電気的接触を維持することができます。
ジャボチカバの写真（左）と複合材料の炭素部分の顕微鏡写真（CNT-ナノチューブ、CB-カーボンブラックナノ粒子）
このような材料は3回自由に伸ばすことができるため、電気伝導率は1.5倍以下（2倍に伸ばす場合は10％以下）低下することがわかりました。小角X線散乱を使用して、ナノチューブの導電性ネットワークの構成を大きく伸ばすために提案されたメカニズムが、研究の著者によって研究された。
この材料が実際に伸縮性電池に使用できることを示すために、その電気化学的特性を、リチウムマンガンスピネルLiFe2O4とカーボンナノチューブに基づくカソードとポリイミドコーティングされたカーボンアノードを備えた水リチウムイオン電池でテストしました。この電池の化学者によって開発された炭素ポリマー材料は、集電体端子の役割を果たしました。
このようなハイブリッド材料で作られた集電体を備えたリチウムイオン電池の容量は、1グラムの材料に対して約90ミリアンペア時間でした。500回の拡張/圧縮サイクルの後、バッテリー容量は7％以下しか低下しません。同時に、100％までストレッチしても、そのようなバッテリーがLEDに供給する電力には影響しません。100％のままです。
リチウムイオン電池に水性電解質を使用することで、電池の安全性と環境への配慮が向上します。それらの使用に関する問題は、それらの限られた電気化学的安定性であるが、それは、電極上に固体中間相を使用することによって増大させることができる。
