ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院の研究者らは、少なくとも6,000回の充放電が可能な新しいリチウム金属電池を開発した。これは、「A ポーチ」技術で構築された他のどの固体電池よりも優れており、数分で充電できます。このサイクル数は、16 年以上の毎日の充放電サイクルに相当します。
この研究は、リチウム金属アノードを備えた固体電池を製造する新しい方法を説明するだけでなく、これらの潜在的に革新的な電池に使用される材料についての新たな洞察も提供します。
この研究はNature Materials に掲載されました。
「パウチセル」バッテリーは、現在最も普及している固体バッテリーの形式であり、以下の図に示すように、さまざまな貯蔵層と固体中間触媒層が交互に配置されています。
SEASの材料科学准教授で論文の主著者であるシン・リー氏は、「リチウム金属負極電池は、リチウム金属負極の10倍の容量があるため、電池の聖杯と考えられている。市販の黒鉛と劇的に可能性がある」と述べた。電気自動車の走行距離を伸ばす。私たちの研究は、全固体電池を産業および商業用途でより実用的なものにするための重要な一歩を表しています。」
これらの電池の設計における最大の課題の 1 つは、アノード表面での樹枝状結晶の形成です。これらの構造は電解液中で根のように成長し、アノードとカソードを隔てる障壁を突き破り、短絡やバッテリー火災の原因となることがあります。
デンドライトは、充電中にリチウムイオンがカソードからアノードに移動するときに形成され、めっきと呼ばれるプロセスでアノードの表面に付着します。陽極にメッキを施すと、歯垢のように表面に凹凸が生じ、樹状突起の侵入を許します。
放電時には、プラーク状のコーティングをアノードから除去する必要がありますが、メッキが不均一な場合、除去プロセスが遅くなり、次の充電時にさらに不均一なメッキを引き起こすポットホールが発生する可能性があります。
2021年、リー氏と彼のチームは、アノードとカソードの間に安定性が異なるさまざまな材料を挟む多層電池を設計することで、デンドライトを管理する方法を提案した。この多層、複数材料の設計は、リチウムデンドライトを完全に阻止するのではなく、制御して封じ込めることによって、リチウムデンドライトの侵入を防ぎました。
この新しい研究では、Liと彼のチームは、アノードにマイクロメートルサイズのシリコン粒子を使用することで樹枝状結晶の形成を防ぎ、リチウム化反応を制限し、リチウム金属の厚い層の均一なメッキを促進します。
この設計では、充電中にリチウムイオンがカソードからアノードに移動するとき、リチウム化反応は表面に限定され、イオンはシリコン粒子の表面に付着しますが、それ以上浸透することはありません。
これは、リチウムイオンが深いリチウム化反応を通過してアノード内のシリコン粒子を破壊する液体リチウムイオン電池の化学とは大きく異なります。
しかし、全固体電池では、シリコン表面のイオンは制限されており、動的リチウム化プロセスを経て、シリコンコアの周囲にリチウム金属メッキが形成されます。
リー氏は、「私たちのデザインでは、トリュフチョコレートのヘーゼルナッツの芯をハードチョコレートの殻で囲むように、リチウム金属がシリコン粒子の周りに巻き付けられています。」と説明した。これらのコーティングされた粒子は、電流密度が均一に分布する均質な表面を形成し、樹枝状結晶の成長を防ぎます。
さらに、均一な表面ではめっきと剥離が迅速に行われるため、バッテリーはわずか 10 分で充電できます。
研究者らは、ほとんどの大学の研究室で製造されるコイン電池よりも10～20倍大きい、切手サイズの固体電池を構築した。このバッテリーは 6,000 サイクル後も容量の 80% を維持し、現在市場にある他の同様の「パウチ電池」バッテリーよりも優れた性能を発揮しました。
この技術は、ハーバード大学技術開発局から、リー氏とハーバード大学卒業生 3 名が設立したハーバード大学のスピンオフ企業であるアデン エナジーにライセンス供与されました。
同社はその技術を拡張し、スマートフォンサイズのパウチバッテリーを製造した。リー氏と彼のチームはまた、均一なリチウムメッキを促進する動的プロセスを促進するために、シリコンがリチウムの拡散を制限できる特性も特徴付けた。
次に、このプロセスを説明する独自の特性記述子を定義し、既知のすべての無機材料についてそれを計算しました。
そうすることで、チームは同様の性能を提供できる可能性のある他の材料を数十個発見しました。
「以前の研究では、銀を含む他の材料が全固体電池の優れた負極材料として機能する可能性があることが判明しました」とリー氏は述べた。 「私たちの研究は、プロセスの根底にある考えられるメカニズムを説明し、電池設計のための新しい材料を特定するための道を提供します。」
ただし、これらの電池にはリチウムという金属が使用されており、興味深い量で発見されているものの、抽出には依然として非常に高価であるという問題がまだ残っています。
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ハーバード大学が 6000 回の充電サイクルを実行できる固体電池を発表したという記事は、Economic Scenariosからのものです。
これは、Thu, 11 Jan 2024 08:00:33 +0000 の https://scenarieconomici.it/harvard-presenta-batteria-allo-stato-solido-in-grado-di-effettuare-6000-cicli-di-carica/ で Scenari Economici に公開された記事の自動翻訳です。