リチウムイオン電池は動作中にエネルギーの 10% 未満しか熱に変換しませんが、この熱が効果的に制御されないと、電池の劣化が促進され、極端な場合には熱暴走や発火を引き起こす可能性があります。まったく対照的に、人間の「非効率的な」電気化学システムは、毎日何百杯ものお茶を沸騰させるのに十分な熱を生成しますが、それでも安定した体温を維持することができます。鍵は皮膚とその発汗熱放散メカニズムにあります。これに触発されて、香港城市大学の研究チームは最近、電池が哺乳動物の皮膚のように「発汗して冷却」できる「皮膚に似た適応型ナノ複合冷却フィルム」を開発した。

長年にわたり、携帯電話から電気自動車に至るほぼすべてのリチウム電池システムには、セル温度を安全な範囲に維持するために、ファン、ヒートシンク、液体冷却回路、相変化材料などの熱管理システムが装備されてきました。これらのソリューションは成熟していて効果的ですが、多くの場合、構造が複雑で、スペースを占有し、追加の電力消費が必要になります。研究チームは、自然がすでに効率的で洗練された解決策を提供していると考えています。哺乳類の皮膚は、「発汗 + 蒸発」によって極めて効率的な体温調節を実現しています。このメカニズムを設計してバッテリーに移植できれば、性能、安全性、システムの簡素化が同時に改善されることが期待されます。

報道によると、この新しい冷却フィルムはバッテリーの表面を「皮」のように覆っているという。塩化リチウム（LiCl）、酸化グラフェン（GO）、活性炭繊維（ACF）などの機能性材料で構成され、多孔質ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）膜に封入され、銅のフレームで支持されています。各成分には明確な役割分担があります。LiCl は吸湿性の高い塩で、温度が低いときに空気から水分を吸収して蓄えることができます。酸化グラフェンは効率的な熱伝導ネットワークを形成し、バッテリーによって発生した熱を膜内で素早く拡散します。活性炭繊維の多孔質構造により、蒸発面積が大幅に増加します。銅フレームは熱を均一に分散し、局所的な飽和を防ぎます。 PTFE の外膜は水蒸気を自由に通過させながら溶液の漏れを防ぎます。

バッテリーが加熱すると、膜に蓄えられた水分が熱を吸収して急速に蒸発し、バッテリー表面から熱を奪います。これは「脱着冷却」として知られるプロセスです。バッテリーが冷えると、膜は周囲の空気から水を自発的に再吸収し、「水分の在庫」を回復し、次の作業に備えます。研究チームは、この適応的な吸湿・放出特性により、冷却フィルムがさまざまな作業条件下で自身の状態を自動的に調整し、外部制御システムを必要とせずに連続循環を実現できると指摘した。

実験データによると、適応冷却フィルムは概念実証テストで 802.5 W・m-2 の平均冷却力を達成し、2.7 kW・m-2 の高い熱流束密度で温度を 34.3 ℃ (華氏約 61.7 度) 低下させました。公称3.7V/12Ahの市販リチウムイオン電池の高率充放電試験を行ったところ、この冷却フィルムを使用した電池のサイクル寿命は118回から233回とほぼ2倍に延長されました。研究者らは、高性能バッテリーの実際の動作条件に近い強い熱負荷条件下でも、この材料は摂氏30度以上の冷却を達成でき、これは性能低下と安全性リスクを大幅に抑制するのに十分であると指摘した。

冷却能力に加えて、ナノコンポジットフィルムは優れた難燃特性も備えており、通常は燃焼を引き起こす条件下での熱暴走の拡大を効果的に防ぎます。テストでは、メンブレンは 1,000 時間以上の過酷なサイクル使用後も安定した熱管理性能を維持し、優れた耐久性と再現性を示しました。さらに重要なのは、システム全体が受動的に冷却され、追加の電源を必要としないことです。バッテリー温度が低下すると、フィルム内の LiCl が空気中の水分を自動的に再吸収し、次の熱放散を「充電」します。

「私たちの目標は、実際のバッテリー動作時の信頼性と安全性を考慮しながら、外部エネルギー入力なしで強力な冷却機能を提供する、パッシブでコンパクト、低コストの実用的な熱管理ソリューションを開発することです。」プロジェクトリーダーのSui Zengguang博士はこう語った。この冷却フィルムは、構造がシンプルでサイズがコンパクトであるため、設計の拡張性が高く、必要に応じてサイズを拡大または縮小することができます。携帯型電子機器から大型電気自動車のバッテリーパックに至るまで、あらゆる用途への応用が期待されています。

ただし、研究チームは、この技術は現在、熱負荷が断続的または周期的に変化するシナリオにより適していることも思い出させます。継続的に高い熱流密度の条件下では、材料が冷却して湿気を再吸収するのに時間がかかるため、冷却能力は制限されます。言い換えれば、これは、持続する極度の高温環境に対する万能の解決策ではなく、「断続的な高出力作業」に適した受動的冷却ソリューションです。

まだ比較的初期の段階にあり、完全な工業化の前にはさらなる研究開発と検証が必要ですが、研究者たちはその見通しについて非常に楽観的です。彼らは、この技術は、軽量でコンパクトで、追加の電源を必要としないが、「意味のある冷却能力」を必要とするあらゆるシナリオにとって、特に人型ロボットやドローンなど、重量やパッケージングの制約に非常に敏感な分野にとって、非常に魅力的であると考えています。関連する研究論文は雑誌「ACS Nano」に掲載されており、より詳しい技術内容も論文内で公開されています。