世界トップのリチウム電池研究チームと研究の方向性は何ですか？

社会の発展における電池技術持続可能なクリーンエネルギーは重要な役割を果たします。従来のNi-Mh電池と比較して、鉛酸電池、高エネルギー密度、記憶効果のない、環境汚染の少ないリチウムイオン電池などが広く使用されています。エネルギー貯蔵と変換の分野で。現在、テスラなどの電気自動車のリチウムイオン電池はすでに大きな市場シェアを持っており、2020年に世界のリチウムイオン電池の市場規模は4,500億元に達する。

1990年に日本のSONYによって最初に開発されたリチウムイオン電池。コバルト酸リチウム（LiCoO2）、グラファイトアノード材料（C）、充電式電池の電解質としてのエステル用の従来のリチウムイオン電池アノード材料。電池の電極反応は次のとおりです。 ：

しかし、実際のコバルト酸リチウム材料の特定の貯蔵はわずか約150 mAh / gであり、リチウムイオン電池の容量のエネルギー密度が低いと、モノマーは約150 wh / kgに制限されます。リチウムイオン電池の低エネルギー密度の使用は、テスラの最新の電気自動車ModelXは、たとえば、7000セクション以上の18650リチウムイオン電池で構成されており、重量は1トンです。重い電池は重量を増加させます。車の場合、約400 kmでフル充電した後、車の走行距離を減らします。したがって、高エネルギー密度のリチウムイオン電池の開発は特に重要です。

現在、高エネルギー密度リチウムイオン電池の研究は始まってから本格的に発展してきました。主な研究分野のポジティブな材料は、バッテリーであるアノード材料に焦点を当てました。主な研究のポジティブな側面については、リッチリチウム高硫黄ニッケルアノード材料とアノード材料のバッテリーアノード材料。カソード研究の側面では、主にスズアノード、シリコンアノード、リチウム金属アノードに集中しています。現在、多くのチームが固体電解質の研究に専念しています。 、主に液体電解質の可燃性セキュリティの隠れた危険性の問題を解決するため。さらに、リチウム金属アノードの研究では、固体電解質を導入して使用すると、リチウムデンドライトの成長を抑制することができます。この論文では、世界トップのリチウム電池の部品と組み合わせるチームが簡単な紹介を行い、業界の最新の研究の方向性を詳しく説明します。

ジョンB．

グッドイナフ博士、1952年にシカゴ大学の教授。現在、テキサス大学オースティン校の機械工学の米国学部にいます。グッドイナフ教授は有名な物理学者であり、国立科学アカデミー、アカデミー工学、外国の学者のための王立協会。彼は発明者のコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムおよびリチウム鉄リン酸塩リチウムイオン電池の陰極材料であり、科学的根拠の創設者の一人でもあり、リチウムイオン電池はリチウム電力産業の「父」。グッドイナフ教授は700以上のジャーナル論文を発表し、発表された論文は46500回以上引用されました。

近年、Goodenough教授はリチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、集中的な研究を深く愛し続けています。同時に、リチウムイオン電池の固体電解質の研究に拡大するための研究分野も所有します。Goodenough教授とJournal of American chemistry Society（10.1021 / jacs.8 b03106）に掲載された固体電解質研究論文ガーネット固体電解質は室温で非常に高い導電性を持ち、理想的な材料を使用したリチウム電池の固体電解質に適していると十分な教授が考えています。研究では、新しい戦略を使用して、ガーネットLLTO（Li7La3Zr2O12）インターフェースを改善しました。これにより、リチウムとガーネットのインターフェースのインピーダンスが大幅に低下し、デンドライトの形成が抑制されます。したがって、Li / use Garnet / LiFePO4とLi-電位のS固体電池は、クーロンの効率とサイクルの安定性を向上させ、幅広い用途の見通しがあります。固体電解質、リチウム電池、リチウム電池デンドライトの問題は解決され、ネガティブとして大容量リチウムを使用することは、将来的に大きな発展と応用があります。

図a、リチウム電池のガーネットLLZTおよびLLZT-C固体電解質（10.1021 / jacs.8 b03106）

PeterG。ブルース

ブルース教授はオックスフォード大学の教授であり、ビッグマテリアル部門です。王立科学アカデミー、工学アカデミー、外国人学者のための王立学会は、400を超えるジャーナル論文、55100回を超える累積参考論文、97のH係数を発表しました。

ブルース教授チームの研究の方向性は、リチウム空気電池、ナトリウムイオン電池の方向性などのリチウムイオン電池に焦点を当てていました。リチウムイオン電池のカソード材料に関して、ブルース教授の研究は主にLINixMn1-xO2、xLi2MnO3？（1-）xを含みます。 LiMO2 Li2FeSiO4の研究と高容量のアノード材料の開発、およびその反応メカニズムの研究。

最近、ナトリウムイオン電池のカソード材料のブルース教授は、研究において大きな進歩を遂げ、Nature ZiKanに発表されました。（NatureChem。、10,288、2018-2018）記事は、P2 Na2 / 3 [Mg0.28 Mn0.72] O2層状を報告しました。ナトリウムイオン電池のカソード材料は、ほぼ170 mAh / gの比率の容量とほぼ2です。75vの放電電圧。材料構造からの大容量の安定性と酸素の酸化還元。ナトリウムイオンが出ると、含有量が少なくなります。 O2の酸化層の構造の形成を促進するためのナトリウムの。充電と放電の過程での酸素の追加は、REDOX反応と追加容量への貢献です。同時に、マグネシウム2+の導入と抑制酸素の損失。電気とナトリウム酸素酸化還元現象のLiイオン電池カソード材料の仕事は、さらなる理解を提供する追加の容量を提供し、また、strからの設計材料を提供します構造とコンポーネントは、酸素の損失を抑制して、高容量アノード材料の新しい方法を実装します。

図2、P2 Na2 / 3 [Mg0.28 Mn0.72] O2材料構造図（NatureChem。、10,288、2018-2018）

クレアP．グレイ

1991年にオックスフォード大学でクレアP.グレイ博士号を取得。ケンブリッジ大学の化学教授は現在、ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校のパートタイム教授である王立協会の会員です。クレアP.グレイはジャーナル論文に掲載された300以上の国際出版物、23600回以上発行された累積参考論文、78のHファクター。現在、グレイの教授は、ジャーナルオブアメリカンケミカルソサエティ、ジュール、編集者などの化学研究の国際的に有名なジャーナルのアカウントです。

グレイ教授チームの主な研究は、リチウムイオン電池技術、ナトリウムイオン電池技術、新しいタイプのリチウム空気電池、マグネシウムイオン電池、および固体電解質などの将来を見据えた研究分野です。近年、教授リチウムイオン電池のカソード材料の灰色は、材料の特性評価とシミュレーションの観点から、それ自体の利点と高度な技術の特性評価を組み合わせて、多くの研究によって実施されました。

図3は、最新の成果（Chem.Mater.2018,30,817？829）のスピネルリチウム遷移金属酸化物の構造に関する研究の教授であるGreyを示しています。LiTIxMn2-xO4（0.2 x1以下またはless.5）材料、異なる構造でドープされたLTMO TIの影響を研究するための、DFT計算の理論の組み合わせなどのNMR特性評価技術の使用。研究を通じて、TIドープの存在が材料の構造を作ることがわかった。 TI含有量の変化に伴って変化します.X = 0.2では、Ti4 +およびMn3 + / 4 + LTMOはランダムな分布を示します; X = 0.4では、Ti4 +およびMn4 +の不均一な格子が豊富な場合; x = 0.6では単相固溶体形成の場合は0.8、x = 1の場合、Li-Mn2 +四面体およびLi-Mn3 + / 4 + -Ti八面体構成が存在します。この作業は、提供された他のバッテリー電極材料の構造変化を研究することです。参照ベース。

図。 3、LiNi0.8 co0.15 al0.O2のAl、Li、Ni、Co、Oイオンの空間分布マップ（Chem.Mater.2018,30,817？829）。

yi cui教授は、2002年にハーバード大学で博士号を取得し、現在はスタンフォード大学の材料科学工学科の教授です。yicui教授は、国際ジャーナルに700を超える論文を発表し、国際的な出版物のトップにいます。 Nature and ScienceとそのZiKanは合計88の記事を発表し、発表された論文は116300回以上、160 Hファクターを引用しています。現在、国際的に有名なジャーナルであるNanoletter副編集長、ACSappliedenergymaterialマガジン編集者などです。

yi cui教授の研究は、リチウムイオン電池のシリコンアノードに焦点を当てており、シリコンアノードの分野で多くの優れた成果を上げています。同時に、近年、リチウム金属アノードの観点から、リチウム硫黄バッテリーは多くの優れた成果を上げています。特にリチウム金属アノードの研究は3年近くで画期的な進歩を遂げ、科学、ネイチャーナノテクノロジー、ネイチャーエナジー、その他の国際的なトップマガジンは多くの記事を連続して発表しました。

図4は、yi cui教授の大型シリコンリチウム合金の最新の研究を示しています-グラフェンフレキシブル電極（Nature Nanotech。、12,993、2017-999）、電極は活性リチウムシリコン合金ナノ粒子で構成され、大型グラフェン層は均一にコーティングされています、空気の安定性に優れています。この構造は、シリコン合金による体積膨張効果を効果的に抑制し、リチウムデンドライトの成長を抑制し、電極に優れたサイクル安定性と500WHKGのエネルギー密度を示します-1。研究とシリコンリチウム合金アノードの開発は、リチウム硫黄の高エネルギー密度の硫黄カソードとペアになることが期待されています-シリコン合金バッテリーと幅広い用途。

図。 4、シリコン、リチウム合金-グラフェンフレキシブル電極の電気化学的性能（NatureNanotech。、12,993、2017-2017）

LindaF。ナザール

1984年にトロント大学のLindaNazar教授、Ph.D。は現在、カナダのウォータールー大学の化学教授であり、カナダの国立主任科学者であり、カナダの王立科学アカデミーです。Nazar教授は、300を超える学術論文を発表しています。国際的に有名な雑誌、出版された論文は34600回以上、Hファクターは89を引用しています。現在、国際的に有名なジャーナルEnergy＆EnvironmentScience、ACSCentralScienceマガジン編集者などです。

リチウム電池とリチウム空気電池を専門とする教授のナザール研究方向は、「リチウム硫黄電池の女王」と見なされています。近年、チームの研究方向は、リチウムカソード保護と無機固体に拡大すると同時に図5は、リチウム金属アノード保護の新しい戦略の教授である最近のNazarを示しています（Joule、2017、1,871-886）、リチウム金属に電解質P2S5を追加する作業は、その場で生成されたミクロンレベルで、高いイオン伝導性、優れた安定性、固体電解質界面（SEI）。SEIの形成はリチウム金属表面にぴったりとはまり、引き抜きの過程でリチウム金属が往復運動する土地では、長いサイクルを実現するために安定したままです。リチウム金属アノードの寿命さらに、生成されたSEIは電極と密接に接触し、リチウム金属と電解質のさらなる反応を抑制し、でのデンドライトの形成を抑制します。 Li4Ti5O12アノード材料と組み合わせると、5 cの電気フローのすべてのバッテリーが、400回以上のサイクル安定性を実現します。

図5、SEI形成プロセス図、イオン/電子移動プロセス図とイオン濃度、電界強度、電位変化曲線（ジュール、1,871 2017-2017）

概要

現在の国際的な研究のダイナミックな視点と組み合わせて、リチウムイオン電池材料の伝統的な研究は基本的に完璧であり、工業化を実現しています。シリコンアノード、スズアノードおよび他のアノード材料の研究のホットスポットは、初期から応用段階までです。紙はまた、材料の負荷、サイクル寿命、および実用性においてより注目を集めています。リチウムイオン電池の研究は、リチウム金属アノードと固体電解質の開発に現在の国際的な焦点を当てています。適切なリチウム保護手段を開発することにより、リチウム金属アノードを使用し、他の電池の問題（電池の安全性、リチウム硫黄電池に溶解したポリサルファイドなど）を解決するために固体電解質を使用することは、研究開発の将来の方向性であり、リチウムイオン電池コバルトの伝統的なビジネスからも酸性リチウムアノードとグラファイトカソードを3元正、シリコンカーボン負は、300 wh / kgのエネルギー密度に達すると予想されます。シリコンアノードの開発に伴い、高シリコンニッケルアノードとカソードバッテリーが徐々に適用され、400 wh / kgのエネルギー密度を実現できるようになります。 2030年には、リチウム保護と固体電解質技術の急速な発展により、リチウム硫黄電池の長いサイクル寿命がリチウム電力市場に投入され、エネルギー密度は500 wh / kgになります。リチウムイオン電池の高エネルギー密度の開発現在のエネルギー貯蔵システムを大幅に変更し、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの貯蔵容量を大幅に改善します。

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