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マークシュワルツ著
スタンフォード大学の研究者は、電気自動車の走行距離を伸ばすことができるリチウム金属電池用の新しい電解質を設計しました。下のビデオをご覧ください。
スタンフォード大学の科学者によって発明された新しいリチウムベースの電解質は、次世代のバッテリー駆動の電気自動車への道を開く可能性があります。
リチウム金属電池用の新しい電解質の燃焼性試験（Stanford ENERGY提供）
6月22日に Nature Energy で公開された調査で 、スタンフォード大学の研究者は、彼らの新しい電解質設計が、電気自動車、ラップトップ、その他のデバイスに電力を供給するための有望な技術であるリチウム金属電池の性能をどのように高めるかを示しています。
「ほとんどの電気自動車は、エネルギー密度の理論的限界に急速に近づいているリチウムイオン電池で動作します」と、SLAC国立加速器研究所の材料科学と工学および光子科学の教授である研究共著者のYiCuiは述べています。 「私たちの研究は、リチウムイオン電池よりも軽量で、単位重量および体積あたりより多くのエネルギーを供給できる可能性のあるリチウム金属電池に焦点を当てました。」
スマートフォンから電気自動車まであらゆるものに使用されるリチウムイオン電池には、2つの電極があります。リチウムを含む正に帯電した陰極と、通常はグラファイトでできている負に帯電した陽極です。電解液は、バッテリーの使用時と再充電時に、リチウムイオンがアノードとカソードの間を行き来することを可能にします。
リチウム金属電池は、今日の従来のリチウムイオン電池の約2倍の電力を1キログラムあたり保持できます。リチウム金属電池は、グラファイトアノードをリチウム金属に置き換えることでこれを実現します。リチウム金属は、はるかに多くのエネルギーを蓄えることができます。
「リチウム金属電池は、重量と体積が大きな懸念事項である電気自動車に非常に有望です」と、研究の共著者である鮑哲南（K.K.）は述べています。工学部のリー教授。 「しかし、動作中、リチウム金属アノードは液体電解質と反応します。これにより、アノードの表面にデンドライトと呼ばれるリチウムの微細構造が成長し、バッテリーが発火して故障する可能性があります。」
研究者は、樹状突起の問題に対処するために何十年も費やしてきました。
「電解質はリチウム金属電池のアキレス腱でした」と、化学の大学院生である共同主執筆者のZhiaoYu氏は述べています。 「私たちの研究では、有機化学を使用して、これらのバッテリー用の新しい安定した電解質を合理的に設計および作成しています。」
この研究のために、Yuと彼の同僚は、一般的な市販の液体電解質で安定性の問題に対処できるかどうかを調査しました。
「電解質分子にフッ素原子を加えると、液体がより安定するという仮説を立てました」とYu氏は述べています。 「フッ素は、リチウム電池の電解質に広く使用されている元素です。電子を引き付けるその能力を利用して、リチウム金属アノードが電解質中でうまく機能することを可能にする新しい分子を作成しました。」
その結果、FDMBと略される新しい合成化合物が得られ、大量生産が容易になりました。
「電解質の設計は非常にエキゾチックになっています」とBao氏は述べています。 「いくつかは良い見込みを示していますが、生産するのに非常に費用がかかります。 Zhiaoが思いついたFDMB分子は、大量に簡単に作成でき、非常に安価です。」
スタンフォード大学のチームは、リチウム金属電池で新しい電解質をテストしました。
結果は劇的でした。実験用バッテリーは、420サイクルの充電と放電の後、初期充電の90％を保持しました。実験室では、一般的なリチウム金属電池は約30サイクル後に動作を停止します。
研究者たちはまた、充電および放電中にリチウムイオンがアノードとカソードの間でどれだけ効率的に移動するかを測定しました。これは「クーロン効率」として知られる特性です。
「1,000個のリチウムイオンを充電した場合、放電後に何個戻ってきますか？」崔は言った。 「理想的には、100％のクーロン効率のために1,000のうち1,000が必要です。バッテリーセルが商業的に実行可能であるためには、少なくとも99.9パーセントのクーロン効率が必要です。私たちの研究では、半電池で99.52パーセント、全セルで99.98パーセントを取得しました。信じられないほどのパフォーマンス。」
家庭用電化製品での使用の可能性について、スタンフォードチームは、アノードを含まないリチウム金属ポーチセル（アノードにリチウムを供給するカソードを備えた市販のバッテリー）でFDMB電解質もテストしました。
「アイデアは、重量を減らすためにカソード側でのみリチウムを使用することです」と、材料科学と工学の大学院生である共同主執筆者のハンセン・ワンは言いました。 「アノードフリーバッテリーは、容量が80％に低下する前に100サイクル実行されました。これは、500〜1,000サイクルの同等のリチウムイオンバッテリーほど良くはありませんが、それでも最高のパフォーマンスを発揮するアノードフリーセルの1つです。」
「これらの結果は、幅広いデバイスに有望であることを示しています」とバオ氏は付け加えました。 「軽量でアノードのないバッテリーは、ドローンや他の多くの家電製品にとって魅力的な機能になります。」
米国エネルギー省（DOE）は、リチウム金属電池を実行可能にするために、Battery500と呼ばれる大規模な研究コンソーシアムに資金を提供しています。この研究は、スタンフォード大学とSLACを含むコンソーシアムからの助成金によって部分的にサポートされました。
Battery500は、アノード、電解質、その他のコンポーネントを改善することで、リチウム金属電池が供給できる電力量を、2016年にプログラムが開始されたときの約180ワット時から、500ワット時まで、ほぼ3倍にすることを目指しています。より高いエネルギー対重量比、つまり「比エネルギー」は、潜在的な電気自動車の購入者がしばしば抱える範囲の不安を解決するための鍵です。
「私たちの研究室のアノードフリーバッテリーは、比エネルギー1キログラムあたり約325ワット時を達成しました。これは、かなりの数です」とCui氏は述べています。 「次のステップは、Battery500の他の研究者と協力して、コンソーシアムの目標である1キログラムあたり500ワット時に近づくセルを構築することです。」
研究者がこのビデオで示したように、より長いサイクル寿命とより優れた安定性に加えて、FDMB電解質は従来の電解質よりもはるかに可燃性が低くなっています。
「私たちの研究は基本的に、人々がより良い電解質を考え出すために適用できる設計原理を提供します」とバオは付け加えました。 「1つの例を示しただけですが、他にも多くの可能性があります。」
他のスタンフォード大学の共著者には、が含まれます。 Jian Qin 、化学工学の助教授。ポスドク研究員のXianKong、Kecheng Wang、Wenxiao Huang、Snehashis Choudhury、ChibuezeAmanchukwu。大学院生のWilliamHuang、Yuchi Tsao、David Mackanic、Yu Zheng、Samantha Hung;学部生のYutingMaとEderLomeliです。厦門大学のXinchangWangも共著者です。 ZhenanBaoとYiCuiは、スタンフォード大学のシニアフェローです。 Precourt Institute for Energy 。 Cuiは、の主任研究員でもあります。 スタンフォード材料エネルギー科学研究所 、ジョイント SLAC /スタンフォード研究プログラム。
この作業は、DOE Office of VehicleTechnologiesのバッテリー材料研究プログラムによってもサポートされていました。スタンフォードで使用されている施設は、全米科学財団によってサポートされています。
「リチウム金属電池用の新しい電解質の燃焼性試験」、注目の画像提供：StanfordENERGYビデオ
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