カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアは、大量のエネルギーを詰め込みながら、氷点下の寒さや灼熱の高温でも十分に機能するリチウムイオン電池を開発しました。研究者は、幅広い温度範囲で用途が広く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で、この偉業を達成しました。
温度に強いバッテリー全米科学アカデミー議事録 (PNAS) で 7 月 4 日の週に発表された論文に記載されています。
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移動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・ジェイコブズ工学部のナノ工学教授で、この研究の上級著者である Zheng Chen 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を減らすこともできると述べています。
「周囲温度が 3 桁に達する可能性があり、道路がさらに熱くなる地域では、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、これらの高温道路の近くの床下にあります」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の持続可能な電力およびエネルギー センターの教職員でもあるチェン氏は説明します。「また、動作中に電流が流れるだけでバッテリーが温まります。バッテリーがこの高温でのウォームアップに耐えられない場合、その性能は急速に低下します。」
テストでは、概念実証バッテリーは、-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% を保持しました。また、これらの温度でそれぞれ 98.2% と 98.7% の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放電サイクルを実行できることを意味します。
チェン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。これは、リチウム塩と混合されたジブチルエーテルの液体溶液でできています。ジブチルエーテルの特徴は、その分子がリチウムイオンに弱く結合することです。言い換えれば、電解質分子は、バッテリーが作動するにつれてリチウムイオンを容易に放出することができます.研究者が以前の研究で発見したこの弱い分子相互作用は、氷点下の温度でのバッテリー性能を向上させます。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、簡単に熱を奪うことができます (沸点は 141 C (286 F) です)。
リチウム硫黄化学の安定化
また、この電解質の特別な点は、リチウム金属で作られたアノードと硫黄で作られたカソードを持つ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、エネルギー密度の向上とコストの削減を約束するため、次世代の電池技術に不可欠な要素です。それらは、現在のリチウム イオン バッテリーよりも 1 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、バッテリー パックの重量を増やすことなく、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カソードで使用されるコバルトよりも豊富で、調達の問題も少ない.
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の両方が超反応性です。硫黄カソード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。この問題は高温で悪化します。また、リチウム金属アノードは、デンドライトと呼ばれる針状の構造を形成しやすく、バッテリーの一部を貫通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。
「高エネルギー密度の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を使用する必要があります」とチェンは述べています。「エネルギーが高いということは、より多くの反応が起こっているということです。つまり、安定性が低下し、分解が進んでいるということです。安定した高エネルギー電池を作ること自体が難しい作業であり、広い温度範囲でこれを行うことはさらに困難です。」
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、典型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.「私たちの電解質は、高い導電率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」とチェンは言いました。
チームはまた、硫黄カソードをポリマーにグラフトすることで、より安定するように設計しました。これにより、より多くの硫黄が電解質に溶解するのを防ぎます。
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ばすことが含まれます。
論文：「温度回復力のあるリチウム硫黄電池の溶媒選択基準」。共著者には、カリフォルニア大学サンディエゴ校の Guorui Cai、John Holoubek、Mingqian Li、Hongpeng Gao、Yijie Yin、Sicen Yu、Haodong Liu、Tod A. Pascal、Ping Liu が含まれます。
この作品は、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材料研究科学工学センター (MRSEC、助成金 DMR-2011924) を通じて国立科学財団からのアーリー キャリア ファカルティ助成金によってサポートされていました。 Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 コンソーシアム、契約 DE-EE0007764) による米国エネルギー省の車両技術。この作業は、国立科学財団 (グラント ECCS-1542148) によってサポートされている国立ナノテクノロジー調整インフラストラクチャのメンバーである UC サンディエゴのサンディエゴ ナノテクノロジー インフラストラクチャ (SDNI) で部分的に実行されました。
投稿時間: 2022 年 8 月 10 日