持続可能な電池はいつかカニの殻から作られるかもしれない

現代はバッテリーの時代だと言う人もいます。おそらく何よりも、新しく改良されたバッテリーが、携帯電話、スマートデバイス、そして電気自動車の普及を可能にしました。クリーンエネルギーで動く電力網は、近い将来、巨大な蓄電容量を持つサーバーファーム規模のバッテリープロジェクトに依存するようになるかもしれません。

しかし、私たちのバッテリーは完璧ではありません。たとえバッテリーが将来、持続可能な世界を支えるものになったとしても、現在のバッテリーは持続可能なものではない材料で作られています。バッテリーは重金属や非有機ポリマーに依存しており、分解するのに何百年もかかる可能性があります。だからこそ、バッテリーの廃棄は大変な作業なのです。

そこでメリーランド大学とヒューストン大学の研究者たちが、有望な代替品である甲殻類の殻から電池を作った。彼らは、食べられるカニやイカと同じ簡単に入手できる生物材料を使って、部分的に生分解性の電池を作った。彼らはその結果を9月1日付けのMatter誌に発表した。

この物質から電池が作られたのは今回が初めてではない。しかし、メリーランド大学の材料科学者で論文の著者の一人であるリャンビン・フー氏によると、研究者たちの研究が新しいのは設計にあるという。

バッテリーには、2 つの端子と、電解質と呼ばれる導電性充填材という 3 つの主要コンポーネントがあります。簡単に言うと、電解質を通過する荷電粒子が一定の電流を流します。電解質がなければ、バッテリーは電荷の殻でしかありません。

今日の電池には多種多様な電解質が使われており、口に入れたいと思うようなものはほとんどありません。標準的な単三電池には水酸化カリウムのペーストが使われており、これは危険な腐食性物質であるため、電池をゴミ箱に捨てるのは非常に危険です。

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携帯電話に使われている充電式バッテリーは、まったく異なる種類のバッテリー、つまりリチウムイオンバッテリーです。これらのバッテリーは何年も電源を入れることができ、通常はそれほど毒性のないプラスチックポリマーベースの電解質を使用していますが、それでも分解するまでに数世紀、あるいは数千年かかることがあります。

環境に優しくない材料をふんだんに使ったバッテリー自体が、最も環境に優しいというわけではない。また、希土類の採掘に依存しており、持続可能な方法で製造されることもほとんどない。たとえバッテリーが何千回もの放電と充電に耐えられるとしても、毎日何千回も廃棄されている。

そこで研究者たちは、よりよい代替品を求めて膨大な量の材料を漁っている。その過程で、彼らは甲殻類の部分を掘り起こし始めた。電池製造者はカニ、エビ、ロブスターからキトサンと呼ばれる材料を抽出できる。これはキチンの誘導体で、甲殻類や昆虫の硬化した外骨格もキチンから作られる。キチンは豊富にあり、比較的簡単な化学処理だけでキトサンに変換できる。

キトサンはすでにさまざまな用途に使用されていますが、そのほとんどは電池とはあまり関係がありません。1980 年代から、農家は作物にキトサンを散布してきました。キトサンは植物の成長を促進し、菌類の侵入に対する防御力を強化することができます。

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畑以外では、キトサンは液体から粒子を取り除くことができます。浄水場では飲料水から沈殿物や不純物を取り除くためにキトサンを使用し、アルコール製造業者は醸造物を澄ますためにキトサンを使用しています。傷口を塞ぐのに役立つキトサンを配合した包帯もあります。

キトサン ゲルから物を彫刻することもできます。キトサンは生分解性があり、毒性がないため、人体に入れる必要があるものを作るのに特に適しています。将来、病院が専用の 3D プリンターを使用して、移植用の組織や臓器にキトサンを彫刻する可能性は十分にあります。

現在、研究者たちは、端子部分が亜鉛製の電池にキトサンを組み込むことを模索している。現在はほとんど実験段階だが、これらの充電式電池は将来、エネルギー貯蔵システムの中核を成す可能性がある。

メリーランドとヒューストンの研究者たちは、キトサンを電池にすることを最初に考えたわけではない。中国からイタリア、マレーシア、イラクのクルディスタンに至るまで、世界中の科学者たちが約10年間、カニの素材を紡ぎ、荷電粒子が冒険家のように渡れる複雑な網目構造に仕上げてきた。

新しい研究の著者らは、キトサン構造に亜鉛イオンを加え、物理的強度を強化した。亜鉛末端と組み合わせることで、この添加により電池の効率も向上した。

この設計により、バッテリーの 3 分の 2 が生分解性となり、研究者らは電解質が約 5 か月以内に完全に分解されることを発見しました。従来の電解質と、埋め立て地での寿命が 1000 年であることと比較すると、これらには欠点がほとんどないと Hu 氏は言います。

この設計は実験的な亜鉛電池用に作られたものだが、研究者がこれを携帯電話の電池を含む他の種類の電池に拡張できない理由はないとフー氏は考えている。

現在、フー氏とその同僚たちは研究を推し進めている。フー氏によると、次のステップの一つは、電解質の範囲を超えて、バッテリーの他の部分に焦点を広げることだという。「私たちは、完全に生分解可能なバッテリーの設計にさらに注意を払うつもりです」と彼は言う。