新しいバッテリー技術はいつ大きな進歩を遂げますか？

バッテリーは私たちの生活に欠かせないものと言えます。携帯電話やコンピューターなどの電子製品は、バッテリーと切り離せません。そのため、電池分野の発展にも大きな注目が集まっています。科学者たちはまた、より強力なエネルギー貯蔵とより長い寿命を持つ新しいバッテリーの開発に取り組んでいます。さまざまな分野で、科学者はこの分野により適した電池を開発しています。これは、1つの電池がすべての分野に適しているわけではないためです。

世界は電池の飛躍的進歩を待っています。エレクトロニクス産業のほぼすべての部分でバッテリーが必要ですが、バッテリーの出力とエネルギー寿命によって制限されます。

Journalofの編集者であるStefanoPasserini氏は、「バッテリーの開発や進歩は他の分野よりもはるかに遅いため、バッテリー自体の制限です。「1週間または1か月間携帯電話に電力を供給するバッテリーを期待することはできません」と述べています。電力。率直に言って、バッテリーに蓄えられる最大エネルギーは、固有の要素によって決定されます。」

しかし、この分野では進歩が見られました。研究者たちは、リチウムイオン電池のエネルギー密度（体積対容量比）、価値、安全性、環境への影響、試用寿命の向上に取り組んでおり、新しいタイプの電池を設計しています。

バッテリーは主に、家電、自動車、グリッドストレージの3つの業界で使用されています。

「私はこれらの3つの産業を、人々がバッテリーに接続する3つの主要な分野と呼んでいます」とJointEnergyのJointCentreEnergyResearchの研究開発担当副所長であるVenkatSrivasanは述べています。電池の要件は分野ごとに異なるため、使用する電池は（場合によっては）大きく異なる場合があります。あなたのポケットの中の電話は強くて安全なバッテリーを必要とします、重量とコストは数えられません。自動車用バッテリー業界では、多くのバッテリーが必要となるため、コストと重量、およびリサイクル寿命（Xintesilaが2年ごとに新しいバッテリーを交換する必要がある場合は気が狂います）が非常に重要になります。住宅や電力網に電力を貯蔵するために使用されるバッテリーには、高い重量やサイズの要件はありません。

携帯電話、コンピューター、カメラ、タブレット、ドローン、さらには時計などの家電製品は、充電が簡単でエネルギー密度が高いため、リチウムイオン電池を何十年も使用してきました。これらの電池では、リチウムイオンで満たされたグラファイト格子がアノードを形成します。酸化物は陰極を形成し、反対側のポートに接続され、2つはイオンが通過できるようにする液体電解質によって分離されます。外部ポートが接続されると、リチウム酸化とリチウムイオンがカソードに流れます。充電中は逆になります。この方法で転送できるリチウムイオンが多いほど、バッテリーの電力は大きくなります。電池の寿命や安全性に関係なく、リチウム電池のサイズと使いやすさも非常に人気があります。しかし、Passeriniは、リチウム電池をさらに最適化する余地は限られていると述べました。

「リチウム電池は今や限界に近づいている」と彼は言った。 「10年前に同じことを言ったが、過去10年間の改善は小さくはなかった。」

自動車業界では、バッテリーが最終的に自動車の寿命と電気自動車の恐怖と不安を決定します。この問題を解決するために、エンジニアと科学者はバッテリーにより多くの電圧容量を充填しようとしています。ただし、電圧容量の低下は通常、バッテリー内の化学反応に関連しています。時間の経過とともに発生する化学反応は徐々に増加し、容量は徐々に減少します。多くの研究が、リチウムイオン格子またはバッテリーの他の部分を支援または交換するための新しい材料および化学物質を見つけることに焦点を合わせています。

Srinivasanは、自動車だけでなく使用できるいくつかの潜在的な革新を指摘しました。従来のグラファイトアノード格子は、10倍以上のリチウムイオンを含むシリコンに置き換えることができます。しかし、シリコンはリチウムイオンを吸収すると膨張するため、研究者はこの問題を解決する必要があります。または、リチウムは格子の代わりにアノードとして機能することもできますが、充電中にリチウムが短絡するのを防ぐ方法はわかりません。リチウム電池が数十年前に導入されて以来、電池メーカーはこの問題を解決しようとしてきました。 「この30年前の問題を今すぐ解決できることを非常に期待している」とスリニバサン氏は語った。

多分リチウムは完全に取り替えることができます。研究者たちはそれをナトリウムまたはマグネシウムに置き換えることを目指しており、共同エネルギー貯蔵研究センターはコンピューターモデリングを使用して、マグネシウムアノードとして特定の酸化物材料を使用するカソードを研究しています。マグネシウムは、その構造によって各原子が2つの電子を受け入れることができるため、非常に有利です。これにより、マグネシウムが蓄積できる電荷が2倍になります。

イリノイ大学のPrashantJainと彼の同僚は、リチウム電池のもう1つのコンポーネントである電解質を研究しています。電解質は、陽イオン（正に帯電したイオン）と陰イオン（負に帯電したイオン）の間の空間を満たし、荷電粒子が流れるようにする流体です。セレン化銅などの特定の固体材料もイオンの流れを可能にするが、高出力機器を十分に速く操作できないことは古くから知られている。化学の助教授であるJainと彼の学生は、さまざまな特性を持つセレン化銅ナノ粒子で作られた超イオン性固体を開発しました。荷電粒子が液体電解質に匹敵する速度で流れることを可能にします。

このテクノロジーの潜在的な利点は、安全性とライフサイクルの2つです。現在のリチウムイオン電池が損傷した場合、電池が短絡して加熱された後、液体が蒸発しますが、エネルギーの急速な放出を妨げるものは何もありません。固体は短絡を防ぎ、全金属アノードを使用してより大きなエネルギー容量を提供できます。さらに、繰り返しのサイクルで、液体電解質がカソードとアノードを溶解します。これが、バッテリーを充電できない主な理由です。

「これらすべての段階的な改善は実際にある程度の進歩を遂げました。しかし、世界に衝撃を与えたブレークスルーはありませんでした。固体電解質は液体と同じ透過能力を持っています。しかし、これは安全上の問題をもたらします。たぶん、固体電解質を使用する必要があります。脳の穴を開けます。一気に、液体電解質を完全に置き換えることができるものを作ります。 「」

テキサス大学でリチウム電池の最初の共同発明者の1人であるRongyujiaoshouyuehan・gudenuofuは、ガラスベースの電解質で電池の特許を公開して提出することにより、固体電解質に対して異なるアプローチを取っています。ガラスにリチウムまたはナトリウムを含浸させることにより、Goodenoughは電流の流れを速くすると同時に、固体アノードを使用して短絡を防ぎ、エネルギー容量を増やすことができました。

このすべての研究は、私たちのポケットや車のバッテリーに影響を与えます。しかし、バッテリーの3番目の用途があり、その影響は世界規模です。

MelanieSanfordは、再生可能エネルギープラントからの電力を貯蔵し、風力発電と太陽光発電が利用できないときにエネルギーを放出するさまざまなタイプのバッテリー（大型のレドックス液体フローセル）でモデリングツールを使用しています。夜間のエネルギー生産と消費のレベルは、再生可能エネルギーがバックアップ電源としての役割を超えて拡大するのに役立ちます。

南カリフォルニアのエジソンはすでにテスラのカーバッテリーでバッテリーバンクをテストしていますが、バッテリーは従来のリチウムベースのバッテリーであるため、コストが高すぎて世界の再生可能エネルギーレベルで広く宣伝することはできません。また、グリッドバッテリーの制限は自動車の制限とは大きく異なります。重量とサイズは問題ではありませんが、価格とライフサイクルは考慮する必要がある問題です。

レドックス液体フロー電池では、エネルギー貯蔵材料は液体の形で大きな容器に保管され、液体は小さな電池にポンプで送られ、反対の電荷を持つ類似体と反応します。コンピューターモデリングにより、サンフォードの研究室は有機分子をカスタマイズし、その容量を数千増加させることができました。これらの分子は、1日未満から数か月間安定しています。

「ここで話しているバッテリーは非常に大きいので、電力網には超安価な材料が必要です」とサンフォード氏は述べています。 「私たちが話しているのは、同じサイズのバッテリー用の風力発電所と倉庫です。」

サンフォードによれば、イノベーションの方向性は主に、材料科学を通じて電池に使用できる新しい材料を開発することです。一方、イノベーションでは、エンジニアがこれらの材料をより効率的にするシステムを構築する必要があります。どちらも欠かせませんが、研究から生産までのプロセスが別のボトルネックになることは間違いありません。

「すべてのシナリオでバッテリーを使用できるわけではないことを誰もが理解する必要があります」とPasserini氏は述べています。 「明らかに、あなたはわずか10 <UNK>または20 <UNK>のパフォーマンスを向上させる場合でも、それは素晴らしいです。我々はこの分野で研究を続けなければならない、と科学者たちは、あなたのサポートを必要としています。」

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