偶然から生まれた「新素材」がEVの「充電問題」を、解決する？
さて、今回はEVの充電問題についてです。
電気自動車（EV）のボトルネックとも言えるバッテリーの「充電問題」を解決出来る可能性を秘めた新素材が誕生した。
偶然から生まれたこのポリマー素材を使えば、わずかな時間で充電出来るスーパーキャパシターのエネルギー密度を20倍近くにまで高められる可能性があるという。
EVだけでなく電力システムにまで技術革新をもたらす可能性を秘めた、その新素材の潜在力に迫った。
1970年代、英サリー大学のドナルド・ハイゲート博士率いる研究チームは、コンタクトレンズをより快適にする方法を見つけ出した。
スポンジのように水を保持できる、透明なポリマーを開発したのだ。
そして今同じ技術が、新しいタイプのスーパーキャパシター素材を生み出しつつある。
これはEVの普及をさらに推し進め、再生可能エネルギーが抱える非常に難しい問題の一つを解決してくれる可能性を秘めた素材だ。
スーパーキャパシターは、電池のように科学的にエネルギーを貯蔵するのではなく、風船の表面に静電気が溜まるようなかたちで、電場にエネルギーを蓄える。
2011年にはテスラのイーロン・マスクが、将来のEVは電池ではなくスーパーキャパシターから電力を得るようになると予測していた。
スーパーキャパシターを利用すれば充電時間が短くなるうえに、リチウムやコバルトといった高価な原料に依存せずに済むようになると説明するのは、インペリアル・カレッジ・ロンドンに2017年に作られたダイソン・スクール・オブ・デザイン・エンジニアリングのサム・クーパー教授だ。
しかも、耐久性も向上するという。
「スーパーキャパシターはサイクル寿命が非常に長いのです。充電と消費を、何度も繰り返す事が出来ます」
問題は、エネルギー密度の低さだ。
最も密度が高いスーパーキャパシターであっても、貯蔵できるエネルギーは、1㎏のリチウムイオン電池の5％に過ぎない。
この事をよく示しているのが、上海を走るスーパーキャパシター搭載の電気バスである。
このバスは乗客を降ろしている30秒足らずの間に充電を完了出来るものの、バス停2～3か所ごとに充電を行う必要がある。
だが、この状況が変わる可能性がある。
英企業スーパーダイレクトリックス（Superdielectrics）が開発したスーパーキャパシター素材は、「これまでを遥かに上回る膨大な量の電気を貯蔵できる」と、同社の最高経営責任者（CEO）であるジム・ヘルスコートは語る。
この素材は安価に製造でき、希少な素材（希元素）を利用する必要が無い。
しかも、ほとんど水で出来ている為、これまでの電池のように燃える恐れが無いという。
・まるで「ミス」のような発見
だが、現在は同社で研究責任者を務めるハイゲート博士によれば、この素材が発見されたのはほとんど偶然だった。
かつてハイゲート博士が開発したコンタクトレンズは、水分子が入ると膨らむポリマーメッシュ構造になっており、多くの水がメッシュの穴に取り込まれるものだった。
博士らは、水分に様々な成分を加える事で、このポリマーに新たな性質をもたらす事に成功した。
1990年代、ハイゲート博士とヘルスコートは、水素燃料電池に使用出来る様々な性質を持った変性ポリマーを開発した。
2016年には、生物医学用途に目を向けて、ポリマーマトリックスの導電性をさらに高めた。
神経と義肢をつなげるのに役立つ可能性があるからだ。
だが、切手ほどのサイズの薄くて青い四角形をしたこの新しいポリマーをテストしたところ、奇妙な事が起こった。
ハイゲート博士は、封筒の裏に大雑把な計算式を書いた事を今も覚えている。
「計算をした私は『こんなバカげた事があるのか』と思いました」と振り返る。
「（静電容量が）1平方cmという小さいサイズにおいて、本来考えられる値の100倍だったのです。私は自分がミスをしたのだと思いました」
彼らは、誘電特性が既存の導体の1000倍から1万倍もある素材を偶然見つけたのだ。
それから14か月間、スーパーダイレクトリックスは、ブリストル大学とサリー大学の研究者達と共同で、このポリマーが現実の世界で利用出来るかどうかを調査した。
・充電時間が数秒にまで短縮可能に
まず彼らは、ファンやLEDを数分間ほど動かせる小型の装置を製作した。
さらに開発を続ければ、この素材で1㎏当たり最大180Ｗhのエネルギー密度を実現出来る可能背があると述べている。
現時点では、最も密度が高いスーパーキャパシターでも、1㎏あたり10Ｗhに過ぎない。
この密度が実現すれば、スーパーキャパシターがリチウムイオン電池と肩を並べる事になる。
そうなれば、スマートフォンを数秒で充電出来るようになるばかりか、今より安くて安全なEVを、ガソリン車の燃料を満タンにするのと同じ時間で充電出来るようになるはずだ。
中国のバスも停留所2～3か所ごとに充電するのではなく、20～30か所ごとに充電するだけで走れるようになるだろう。
しかも、充電時間は数秒だ。
充電時間が短くなれば、EVの普及が加速する可能性があると語るのは、英国機械学会のジェニファー・バクスター博士だ。
「充電時間を短くするか、1回の充電で走行出来る距離を延ばす事が出来れば、EVに対する人々の不安は間違いなく減る事になります」とバクスター博士は述べる。
考えられるもう一つの用途は、回生ブレーキだ。
電池は急速な充電が難しいが、スーパーキャパシターは素早い充電に最適である。
この為、EVの効率をさらに高めるうえで役立つ可能性があると、ダイソン・スクール・オブ・デザイン・エンジニアリングのクーパー教授は語る（同氏は、この研究には参加していない）
・大きさと「電流漏れ」がネック
ただし、乗り越えなければならない問題がいくつかある。
スーパーキャパシターは、重量では電池に対抗出来るものの、車に搭載する場合はサイズも問題になる。
この点に関する研究はまだ行われていないが、ハイゲート博士の推測では、この技術を利用して作られるスーパーキャパシターのサイズは、同党の電池よりおよそ30％大きくなる見込みだ。
もう一つの問題は、スーパーキャパシターの「アキレス腱」とも言える、内部での「電流漏れ」だとハイゲート博士は述べる。
電池は数週間から数か月間エネルギーを貯蔵できるが、スーパーキャパシターは数時間から数日後には無くなってしまう可能性がある。
用途によっては問題にならないかも知れないが、数日間利用しない事もあるEVでは問題となるだろう。
スーパーキャパシターを電池と組み合わせてバックアップを確保する事が、一つの解決策になるかも知れない。
この技術が最初に使われるのは車ではなく、充電インフラの重要な構成要素になるだろうと、ほとんどの人は考えている。
「およそ半数の人々は、自宅で一晩中充電を行えるような場所には住んでいません」と指摘するのは、充電ステーションを開発しているZapinamoのディレクター、ティム・マーティンだ。
こうした人々は素早く充電できる設備を利用する必要があるが、今の電力網ではそこまでのスピードで電力を供給するのが難しいと、マーティンは指摘する。
そこで、スーパーキャパシターを詰め込んだ大きな貯蔵施設が充電ステーションに設置され、EVと電力網を取り持つ役割を果たすようになるかも知れない。
電気代が安いオフピークの時間帯にゆっくりと電気を貯めておき、必要に応じて複数の車に素早く供給するというわけだ。
「素早い発電と、走行距離に関する不安を払拭出来るほどの高速充電とを同時に実現するには、エネルギーを貯蔵しておく事が唯一の方法です」とマーティンは述べる。
・より柔軟な電力供給が可能に
同様のアプローチが、再生可能エネルギーの分野に根本的な変化をもたらす可能性もある。
太陽光発電や風力発電は発電状況にムラがある為、作られた電気を貯蔵しておけば、太陽光や風力が弱い時に電気を補えるようになる。
「誰もが夕食後にお湯を沸かし始めれば、その急増した電力需要をどこかで補う必要があります」と、クーパー教授は言う。
現在は、ポンプで貯水池の水を汲み上げておき、エネルギーが必要になった時に落下させてタービンを回して発電する方式（揚水発電）で補う事が多い。
だが、スーパーキャパシターなら素早く対応出来る為、今より遥かに柔軟に電力を供給出来るようになる。
「風力、波力、太陽光エネルギーは、利用可能ではあっても供給が断続的です。この為エネルギーを貯蔵しておかなければ、私達のエネルギー需要に対応出来るほどの信頼性を確保できません」とハイゲート博士は述べる。
「今回の新しい研究結果は、私達の生活様式を支えているエネルギーシステムを変容させるものになる可能性があります。私達やその子孫が、真に持続可能で、環境にとって安全な形でエネルギーを得られるようになるには、こうした進歩が必要なのです」
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