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バッテリーの飛躍的進歩により、電気飛行と長距離電気自動車が後押しされます

元々はBerkeleyLabによって公開されました

バークレーラボで開発された新しいバッテリー技術は、電気垂直離着陸(eVTOL)航空機に飛行を提供し、安全な長距離電気自動車を過充電する可能性があります

充電式バッテリーの追求 1回の充電で数百マイルにわたって電気自動車(EV)に電力を供給できるため、科学者たちはEVバッテリーで現在使用されているグラファイトアノードをリチウム金属アノードに置き換えるよう努めてきました。

しかし、リチウム金属はEVの走行距離を30〜50%延長しますが、リチウムデンドライト、多くの充電および放電サイクルの過程でリチウムアノードに形成される小さな木のような欠陥のために、バッテリーの耐用年数も短くします。さらに悪いことに、樹状突起は、カソードと接触すると、バッテリー内のセルを短絡させます。

何十年もの間、研究者たちは、セラミックから作られたものなどの硬い固体電解質が、樹状突起がセルを通り抜けるのを防ぐのに最も効果的であると考えていました。しかし、そのアプローチの問題は、多くの人が発見したように、最終的に広がる車のフロントガラスの小さな亀裂のように、樹状突起が形成または「核形成」するのを最初から止めなかったことです。

現在、エネルギー省のローレンスバークレー国立研究所(バークレー研究所)の研究者は、カーネギーメロン大学と共同で、デンドライトを抑制する、ポリマーとセラミックの両方から作られた新しいクラスの軟質で固体の電解質をジャーナルNatureMaterialsで報告しています。その初期の核形成段階で、それらが伝播してバッテリーが故障する前に。

この技術は、全固体電池用の材料とデバイスを組み立て、特性評価し、開発するための新しいアイデアを開発するための、ユーザー施設全体でのバークレーラボの学際的なコラボレーションの一例です。

固体電極と固体電解質を使用する固体リチウム金属電池などの固体エネルギー貯蔵技術は、優れた安全性と組み合わせて高いエネルギー密度を提供できますが、この技術は多様な材料と処理の課題を克服する必要があります。

私たちの樹状突起抑制技術は、電池業界に刺激的な影響を及ぼします」と、バークレー研究所の分子鋳造所のスタッフ科学者である共著者のブレットヘルムズは述べています。 「これにより、電池メーカーは、高いエネルギー密度と長いサイクル寿命の両方を備えた、より安全なリチウム金属電池を製造できます。」

ヘルムズ氏は、新しい電解質で製造されたリチウム金属電池は、電気航空機への電力供給にも使用できると付け加えました。

樹状突起抑制へのソフトなアプローチ

これらの新しいソフトな固体電解質の設計の鍵は、固有の微孔性のソフトポリマー、つまりPIMを使用することでした。このポリマーの細孔は、ナノサイズのセラミック粒子で満たされていました。電解質は柔軟で柔らかく、固体の材料のままであるため、電池メーカーは、陽極と電池セパレーターの間のラミネートとして電解質を使用してリチウム箔のロールを製造することができます。これらのリチウム電極サブアセンブリ(LESA)は、従来のグラファイトアノードの魅力的なドロップイン代替品であり、電池メーカーが既存の組立ラインを使用できるようにする、とHelms氏は述べています。

Helmsチームは、BerkeleyLabのAdvancedLight SourceでX線を使用して、リチウム金属と電解質の間の界面の3D画像を作成しました。 (クレジット:Brett Helms / Berkeley Lab)

新しいPIM複合電解質の樹状突起抑制機能を実証するために、HelmsチームはBerkeleyLabのAdvancedLight SourceでX線を使用して、リチウム金属と電解質の間の界面の3D画像を作成し、リチウムメッキとストリッピングを視覚化しました。大電流で16時間まで。新しいPIM複合電解質が存在する場合、リチウムの継続的に滑らかな成長が観察されましたが、存在しない場合、界面は樹枝状成長の初期段階の明らかな兆候を示しました。

これらおよびその他のデータは、固体電解質の化学的および機械的特性の両方を考慮に入れた、リチウム金属の電着の新しい物理モデルからの予測を確認しました。

2017年、硬い電解質が必要だという常識があったとき、柔らかい固体電解質で新しいデンドライト抑制メカニズムが可能になることを提案しました」と、スコットの機械工学准教授兼ファカルティフェローである共著者のVenkatViswanathanは述べています。カーネギーメロン大学のエネルギーイノベーション研究所は、この研究の理論的研究を主導しました。 「PIMコンポジットを使用してこのアプローチの重要な実現を見つけることは驚くべきことです。」

Advanced Research Projects Agency-Energy(ARPA-E)のIONICSプログラムである24M Technologiesの受賞者は、これらの材料をEVと電気垂直離着陸機(eVTOL)の両方の大型バッテリーに統合しました。

EVとeVTOLには独自の電力要件がありますが、PIM複合固体電解質技術は用途が広く、高電力で可能になるようです」とHelms氏は述べています。

バークレーラボとカーネギーメロン大学の研究者が研究に参加しました。

モレキュラーファウンドリーとアドバンストライトソースは、バークレーラボと同じ場所にあるDOE科学局のユーザー施設です。

この作業は、Advanced Research Projects Agency-Energy(ARPA-E)およびDOE科学局によってサポートされていました。追加の資金は、DOEの教師と科学者のための労働力開発局によって提供され、学部生は科学学部研究室インターンシッププログラムを通じて研究に参加することができました。

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最大の科学的課題はチームによって最もよく対処されるという信念に基づいて1931年に設立されたローレンスバークレー国立研究所とその科学者は、13のノーベル賞を受賞しています。今日、バークレーラボの研究者は、持続可能なエネルギーと環境のソリューションを開発し、有用な新素材を作成し、コンピューティングのフロンティアを前進させ、生命、物質、宇宙の謎を探ります。世界中の科学者は、独自の発見科学のためにラボの施設に依存しています。 Berkeley Labは、カリフォルニア大学が米国エネルギー省の科学局のために管理しているマルチプログラムの国立研究所です。

DOEの科学局は、米国の物理科学における基礎研究の最大の支援者であり、私たちの時代の最も差し迫った課題のいくつかに取り組むために取り組んでいます。詳細については、energy.gov / scienceにアクセスしてください。

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