UCLA がより優れたリチウムへの道を開く

ジャスト_スーパー / iStock

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1980 年代にジョン B. グッドイナフによって発明されたリチウムイオン電池は、私たちの生活に欠かせないものです。 それらは効果的な電気エネルギー貯蔵システムを構成し、電子機器、おもちゃ、手持ち電動工具、小型および大型家電、ワイヤレスヘッドフォン、電気自動車などに使用されています。

しかし、それらにはリスクと課題が伴います。 充電が早すぎると、バッテリーが爆発したり火災を引き起こす可能性があります。 非常に高い電流を供給することができ、短絡すると急速に放電する可能性があります。

実際、ニューヨーク市では、自転車に動力を供給するリチウムイオン電池が原因で 100 台以上の自転車が爆発しました。 今年だけで13人の死者が出た。

リチウムイオン電池は、エネルギー容量が約 2 倍であるため、爆発の可能性がより高い別の技術であるリチウム金属電池から派生したものです。

リチウムイオン電池は、電極を覆うかご状の炭素構造の中に正に帯電したリチウム原子を貯蔵します。 一方、リチウム金属電池は電極を金属リチウムでコーティングし、同じ空間に 10 倍多くのリチウムを詰め込みます。 これにより、後者はより高性能なバッテリーを実現します。

そして今回、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の研究チームによる研​​究で、リチウム金属電池の爆発を止める方法を発見したと主張している。 これにより、リチウムイオン電池を上回る性能を備えた、より安全なリチウム金属電池が実現する可能性があります。

充放電電流と電池の温度が管理されていれば安全です。 しかし、金属リチウムは化学物質とすぐに反応するため、電極などの表面に置かれるとすぐに腐食する可能性があります。 しかし、UCLA のチームは、この腐食を防ぐ技術を開発しました。

研究チームは腐食を防止し、リチウム金属の構造が通常とる「分厚い」または「柱状」の形状ではなく、特異な多面体であることを発見した。チームはそれを「菱形十二面体、12面体の図形」と表現している。ダンジョンズ＆ドラゴンズのようなロールプレイングゲームで使用されるサイコロに似ています」とプレスリリースで述べられています。

研究チームは、腐食がなければ、この特異な多面体がリチウムの真の形状であると述べた。 この発見は、高性能エネルギー技術に重大な影響を与える可能性があります。

「科学者や技術者は、金、プラチナ、銀などの金属をナノキューブ、ナノスフィア、ナノロッドなどの形状に合成するという20年以上にわたる研究を行ってきた」と研究論文の共著者であるユージャン・リー氏は述べた。 「リチウムの形状がわかったので、問題は、電池の安全性と性能の両方を向上させるために高密度に詰めることができる立方体を形成するようにリチウムを調整できるかということです。」

この研究は査読誌『Nature』に掲載された。

研究概要:

リチウム (Li) 金属の電着は、高エネルギー電池にとって重要です。 しかし、固体電解質界面（SEI）と呼ばれる表面腐食膜が同時に形成されるため、析出プロセスが複雑になり、これがLi金属電着に対する我々の理解不足の裏付けとなっている。 今回我々は、物質輸送の制限も回避しながら、超高速の堆積電流密度でのSEI形成を上回るペースで、これら2つの絡み合ったプロセスを切り離す。 極低温電子顕微鏡を使用することにより、金属Liの固有の析出形態が斜方十二面体の形態であることを発見しました。これは驚くべきことに電解質の化学反応や集電基板には依存しません。 コインセル構造では、これらの菱形十二面体は集電体と点接触に近い接続を示し、不活性な Li の形成を促進する可能性があります。 我々は、Li菱形十二面体を核生成シードとして利用することでこの故障モードを克服し、その後の高密度Liの成長を可能にして、ベースラインと比較してバッテリー性能を向上させるパルス電流プロトコルを提案します。 過去の研究では、Li の堆積と SEI の形成は常に密接に関連付けられてきましたが、私たちの実験的アプローチにより、これらのプロセスを相互に切り離して根本的に理解し、より良い電池を設計するための新たな洞察をもたらす新たな機会が可能になります。