カリフォルニア大学サンディエゴ校の技術者らは、大量のエネルギーを蓄えながら、氷点下の寒さや灼熱の温度でも優れた性能を発揮するリチウムイオン電池を開発した。研究者らは、広い温度範囲にわたって多用途かつ堅牢であるだけでなく、高エネルギーのアノードおよびカソードと互換性のある電解質を開発することによってこの偉業を達成した。
温度耐性のあるバッテリーについては、米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に 7 月 4 日の週に掲載された論文で説明されています。
このようなバッテリーにより、寒冷地での電気自動車は 1 回の充電でより遠くまで走行できるようになる可能性があります。カリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブス工学部のナノエンジニアリング教授であり、この研究の主著者であるジェン・チェン氏は、暑い気候で車両のバッテリーパックが過熱するのを防ぐための冷却システムの必要性も減らすことができると述べた。
「周囲温度が 3 桁に達し、道路がさらに高温になる地域では、高温での動作が必要です。電気自動車では、バッテリー パックは通常、暑い道路の近くの床の下に設置されます」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校持続可能な電力およびエネルギー センターの教員でもあるチェン氏は説明しました。「また、バッテリーは動作中に電流が流れるだけでも熱くなります。バッテリーが高温でのウォームアップに耐えられない場合、バッテリーの性能は急速に低下します。」
テストでは、概念実証用バッテリーは -40 および 50 C (-40 および 122 F) でそれぞれエネルギー容量の 87.5% および 115.9% を維持しました。また、これらの温度ではそれぞれ 98.2% と 98.7% という高いクーロン効率を示しました。これは、バッテリーが動作を停止する前に、より多くの充電および放電サイクルを実行できることを意味します。
チェン氏と同僚が開発したバッテリーは、電解質のおかげで耐寒性と耐熱性の両方を備えています。ジブチルエーテルとリチウム塩を混合した溶液から作られています。ジブチルエーテルの特別な特徴は、その分子がリチウムイオンと弱く結合することです。言い換えれば、バッテリーの動作中に電解質分子はリチウムイオンを容易に放出することができます。研究者らは以前の研究でこの弱い分子相互作用が氷点下での電池性能を向上させることを発見した。さらに、ジブチルエーテルは高温でも液体のままであるため、熱を受け取りやすくなります (沸点は 141 ℃ (286 °F))。
リチウム硫黄化学の安定化
この電解液の特徴は、リチウム金属製のアノードと硫黄製のカソードを備えた充電式電池の一種であるリチウム硫黄電池と互換性があることです。リチウム硫黄電池は、より高いエネルギー密度とより低いコストを約束するため、次世代電池技術に不可欠な部分です。現在のリチウムイオン電池に比べ、キログラムあたり最大 2 倍のエネルギーを蓄えることができます。これにより、電池パックの重量を増やさずに電気自動車の航続距離を 2 倍にすることができます。また、硫黄は従来のリチウムイオン電池の正極に使用されているコバルトよりも豊富に存在し、調達の問題が少なくなります。
しかし、リチウム硫黄電池には問題があります。カソードとアノードは両方とも超反応性です。硫黄正極は非常に反応性が高いため、バッテリーの動作中に溶解します。この問題は高温になるとさらに悪化します。また、リチウム金属の負極はデンドライトと呼ばれる針状の構造を形成しやすく、電池の一部を突き刺して短絡を引き起こす可能性があります。その結果、リチウム硫黄電池は最大数十サイクルしか持続しません。
「エネルギー密度の高いバッテリーが必要な場合は、通常、非常に過酷で複雑な化学反応を使用する必要があります」とチェン氏は述べています。「エネルギーが高いということは、より多くの反応が起こることを意味し、それは安定性が低下し、より多くの分解を意味します。安定した高エネルギーバッテリーを作ること自体が難しい仕事ですが、これを広い温度範囲で実現しようとするのはさらに困難です。」
カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームが開発したジブチルエーテル電解質は、高温や低温でもこれらの問題を防ぎます。彼らがテストしたバッテリーは、一般的なリチウム硫黄バッテリーよりもはるかに長いサイクル寿命を持っていました。「当社の電解質は、高い導電性と界面安定性を提供しながら、カソード側とアノード側の両方を改善するのに役立ちます」とChen氏は述べています。
研究チームはまた、硫黄陰極をポリマーにグラフトすることで、より安定するように硫黄陰極を設計した。これにより、硫黄が電解液にさらに溶けるのを防ぎます。
次のステップには、バッテリーの化学的性質をスケールアップし、さらに高温で動作するように最適化し、サイクル寿命をさらに延長することが含まれます。
論文: 「温度耐性リチウム硫黄電池の溶媒選択基準」。共著者には、Guorui Cai、John Holoubek、Mingqian Li、Hongpeng Gao、Yijie ying、Sicen Yu、Haodong Liu、Tod A. Pascal、Ping Liu が含まれます。全員がカリフォルニア大学サンディエゴ校です。
この研究は、NASA の宇宙技術研究助成プログラム (ECF 80NSSC18K1512)、カリフォルニア大学サンディエゴ校材料研究科学工学センター (MRSEC、助成金 DMR-2011924) を通じた国立科学財団からの早期キャリア教員助成金によって支援されました。先進電池材料研究プログラムを通じて米国エネルギー省の車両技術 (Battery500 コンソーシアム、契約 DE-EE0007764)。この研究の一部は、国立科学財団 (助成金 ECCS-1542148) の支援を受ける国家ナノテクノロジー調整インフラストラクチャーのメンバーであるカリフォルニア大学サンディエゴ校のサンディエゴ ナノテクノロジー インフラストラクチャー (SDNI) で行われました。
投稿日時: 2022 年 8 月 10 日