小型グライダーに電力を供給できるスーパーキャパシタが、明日には2つの新しいデバイスの一部になる可能性があります。研究者たちは、数分で分解でき、ほとんどの元の部品を再利用して再組み立てできるコンパクトなエネルギー貯蔵バッテリーを開発しました。この設計は、時代遅れの小型電子機器から生じる電子廃棄物の増加に対処することを目的としています。このプロジェクトは、謝嘉雅と南杜・コリパリが主導し、『ACS Energy Letters』誌に発表されました。彼らの目標は、スマートウォッチ、携帯電話、ドローン内部の電子部品です。
これらのデバイスのほとんどは、可燃性のリチウムイオンバッテリーに依存しており、一度故障すると分解が難しくなります。
新型スーパーキャパシタが電子廃棄物問題の軽減に貢献
研究者たちは、リチウムを水性電解質中に浮遊する亜鉛イオンに置き換えました。この電解質は発火しにくいです。このデバイスは、亜鉛金属-銅箔陽極と活性炭繊維製の陰極を組み合わせています。両者の間には、プラスチックフィルムに塗布された多孔質樹脂の固体電解質層があり、塩化亜鉛溶液に浸されています。この樹脂は二重の機能を持っています。組み立て過程で熱によって強力な接着が形成されますが、分解過程では軽い酸性の液体が再びこの接着を破ります。コリパリは、この方法が実験室での亜鉛イオン化学と構造的スーパーキャパシタ設計を組み合わせた初期の研究に基づいており、再利用のために特別に開発されたバージョンであると述べています。
この概念の実験室外での実現可能性を証明するために、研究チームは4つのスーパーキャパシタを小型モデルグライダーの翼に直接取り付けました。このグライダーは紙飛行機のように投げられ、内蔵されたスーパーキャパシタが作動するプロペラモーターを利用することで、飛行距離は12フィート（約3.7メートル）に達しました。一方、電源がない状態では、同じグライダーはわずか8フィート（約3.4メートル）しか飛行できませんでした。飛行テスト後、研究者たちは1つのスーパーキャパシタを軽い酸性の水溶液に浸しました。層は30分以内に成功裏に分離され、炭素繊維陰極を完全に回収することができました。
この単一の陰極は、その後、2つの追加のスーパーキャパシタに電力を供給するために使用され、それぞれ新しい固体電解質と亜鉛陽極で再組み立てされました。研究者たちによれば、元のデバイスと2つの再構築されたバージョンで回収された炭素繊維は、合計で17万2千回以上の充放電サイクルを経ており、電気性能は全体を通じて安定しており、回収プロセスが材料の核心機能を低下させていないことを示しています。
持続可能性と性能のバランスが未来の鍵
コリパリは、持続可能性と性能は必ずしも相反する方向に進む必要はないと述べています。彼は、設計の初期段階からデバイスの全材料ライフサイクルを考慮することで、エンジニアは性能が良く、メンテナンスや再利用が容易な構造的エネルギー貯蔵デバイスを設計できると指摘しています。このアプローチは、ほとんどの充電式バッテリーの回収とは異なり、後者は通常部品を粉砕し、エネルギー集約型の化学処理を通じて原材料を抽出します。部品を完全に再利用することは、摩耗したバッテリー貯蔵ユニットの交換に関連するコストと環境負荷を減少させる可能性があります。
研究者たちは、この作業が軽量電源のための解決策を提供し、単一のライフサイクルの終了時に廃棄物になることを避けるより広範な道を指し示していると述べています。このように構築されたデバイスは、特定の部品が実際に摩耗したときにのみ新しい材料を使用し、全体のデバイスが廃棄されることはありません。
項目 規格 バッテリータイプ 亜鉛イオンスーパーキャパシタ 充放電サイクル数 17万2千回以上