元々は米国エネルギー省の科学局で公開されました。エネルギー省国立研究所、SLAC、スタンフォード教育ニュース

バッテリーの集電装置にポリマーと耐火性を追加すると、バッテリーの軽量化、安全性、効率が約20％向上します。 カリフォルニア州メンロパーク 。 —リチウムイオン電池をより軽く、より安全に、より効率的にするためのまったく新しいアプローチで、スタンフォード大学とエネルギー省のSLAC国立加速器研究所の科学者は、最も重い電池コンポーネントの1つである現在の銅またはアルミニウム箔のシートを再設計しました。コレクター–重量が80％軽くなり、燃え上がる火をすぐに消します。

採用された場合、この技術はバッテリー研究の2つの主要な目標に対処できると研究者は述べた。電気自動車の走行距離を拡大することと、ラップトップ、携帯電話、その他のデバイスが炎上する危険性を減らすことである。これは、バッテリーが超高速で充電され、火災につながる可能性のあるバッテリーの損傷の種類が増える場合に特に重要です。

研究チームは、 Nature Energy での研究について説明しました。 今日。

「現在のコレクターは常に自重と見なされており、これまでバッテリーの性能を向上させるためにうまく利用されていませんでした」と、SLACとスタンフォードの教授でスタンフォード材料エネルギー科学研究所（SIMES）の研究者であるYiCuiは述べています。 ）誰が研究を主導したか。

「しかし、私たちの研究では、コレクターを80％軽量化することで、リチウムイオン電池のエネルギー密度（特定の重量でどれだけのエネルギーを蓄えることができるか）が16〜26％増加しました。これは、近年達成された平均3％の増加と比較して、大きな飛躍です。」

スタンフォード大学とSLACの科学者は、リチウムイオン電池をより軽く、より安全に、より効率的にするために、電流導体（電極との間で電流を分配する薄い金属箔）を再設計しました。彼らは、真ん中の全銅導体を極薄銅でコーティングされた軽量ポリマーの層に置き換え（右上）、火炎を消すためにポリマー層に難燃剤を埋め込んだ（右下）。 （Yusheng Ye /スタンフォード大学）

デ 必死に減量を求めている

シリンダーまたはポーチの形で提供されるかどうかにかかわらず、リチウムイオン電池には、各電極に1つずつ、合計2つの集電体があります。それらは、電極に出入りする電流を分配し、一部の高出力または超薄型バッテリーの重量の15％から50％を占めます。バッテリーの重量を減らすこと自体が望ましいので、デバイスを軽量化し、電気自動車が持ち歩く必要のある重量を減らすことができます。与えられた重量あたりより多くのエネルギーを蓄えることで、デバイスとEVの両方が充電の間隔を長くすることができます。

バッテリーの重量と可燃性を減らすことは、リサイクルされたバッテリーの輸送をより安価にすることによって、リサイクルにも大きな影響を与える可能性がある、とCui氏は述べています。

電池業界の研究者は、集電体を薄くしたり、多孔質にしたりして軽量化を図っていますが、これらの試みには、電池をより壊れやすくしたり、化学的に不安定にしたり、電解質を多く必要としたりするなど、望ましくない副作用があり、コストが高くなります。 、客員研究員のリアン・ヤン・チョウと一緒に実験を行った、崔の研究室のポスドク研究員であるユシェン・イェは言った。

安全性の問題に関しては、「人々は可燃性部分であるバッテリー電解液に難燃剤を追加しようとしましたが、粘性が高くなり、イオンをうまく伝導しなくなる前に、それだけ追加することができます。」と彼は言いました。 P>

リチウムイオン電池用に再設計された集電装置は、電池をより軽く、よりエネルギー効率が高く、より安全にします。また、銅をより安価なポリマーに交換し、リサイクルのためにバッテリーを輸送するコストを削減することで、コストを削減することもできます。 （グレッグスチュワート/ SLAC国立加速器研究所）

ポリマーフォイルサンドイッチの設計

問題をブレインストーミングした後、Cui、Ye、および大学院生のYayuan Liuは、ポリイミドと呼ばれる軽量ポリマーをベースにした電流コレクターの作成とテストの実験を設計しました。難燃剤（リン酸トリフェニル、またはTPP）がポリマーに埋め込まれ、次に両面が銅の極薄層でコーティングされました。銅は、電流を分配するという通常の仕事をするだけでなく、ポリマーとその難燃剤を保護します。

これらの変更により、電流コレクターの重量が現在のバージョンと比較して80％減少しました。これは、さまざまなタイプのバッテリーでエネルギー密度が16〜26％増加することを意味し、通常のコレクターと同じように電流を流します。劣化。

直火にさらされると、今日の商用集電装置（一番上の列）で作られたリチウムイオンポーチバッテリーが発火し、すべての電解質が燃え尽きるまで激しく燃えました。新しい難燃性コレクター（下の列）を備えたバッテリーは、数秒以内に消える弱い炎を生成し、科学者がそれらを再点火しようとしても再び燃え上がることはありませんでした。 （Yusheng Ye /スタンフォード大学）

ライターからの直火にさらされると、今日の商用集電装置で作られたポーチバッテリーが発火し、すべての電解質が燃え尽きるまで激しく燃えました。しかし、新しい難燃性コレクターを備えたバッテリーでは、火が実際に発生することはなく、非常に弱い炎が数秒以内に消え、科学者が再点火しようとしても再び燃え上がることはありませんでした。

このアプローチの大きな利点の1つは、新しいコレクターは、銅の一部を安価なポリマーに置き換えるため、製造が簡単で、安価である必要があることです。それで、商業生産のためにそれをスケールアップすることは、「非常に実行可能であるべきです」と彼は言いました。研究者たちはスタンフォード大学を通じて特許を申請しており、Cuiは可能性を探るために電池メーカーに連絡すると述べた。

この作業は、リチウムイオン電池の極度の高速充電セル評価（XCEL）プログラムの下で、DOEのエネルギー効率および再生可能エネルギー局、車両技術局によってサポートされました。

引用： Yusheng Ye et al。、 Nature Energy 、2020年10月15日（10.1038 / s41560-020-00702-8）

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画像提供：SLAC、スタンフォード教育ニュース