リチウム-酸化鉄電池は電池寿命を延ばすために利用可能です

Wolvertonのチームは、Argonne National Laboratoriesの研究者と協力して、従来のコバルト酸リチウム電池よりも多くのリチウムイオンを循環させる充電式リチウム鉄酸化物電池を開発しました。

その結果、大容量のバッテリーが搭載され、バッテリー駆動の電気自動車やスマートフォンの動作が長くなります。

ノースウェスタン大学のマコーミック工学院の材料科学と工学の教授であるウォルバートンは、次のように述べています。「バッテリーの計算には非常に興奮していますが、実験が確認されなければ、その科学的性質を疑う多くの懐疑論者がいるでしょう。実際、彼の役割は非常に重要です。

この研究は、米国エネルギー省のエネルギーフロンティア研究センタープログラムによってサポートされており、最近NatureEnergyに掲載されました。 WolvertonラボのPhutの学生、ZhenpengYaoとArgonneのポスドクChunZhanは、この論文の最初の著者でした。アルゴンヌは研究の実験部分を主導し、ウォルフトンとヤオミンは計算開発を担当しました。

リチウムイオン電池は、リチウムイオンをアノードとカソードの間で往復させることによって機能します。バッテリーが充電されると、イオンはアノードに移動します。カソードは、遷移金属、リチウムイオン、および酸素からなる化合物から形成されます。遷移金属は通常コバルトであり、アノードからカソードに移動してから戻るときに電気エネルギーを効果的に蓄積および放出します。その場合、カソードの容量は、遷移金属中の電子の量によって制限されます。

コバルト酸リチウム電池は20年間市販されていますが、研究者たちは長い間、より大きく、より安価な代替品を探していました。 Wolvertonのチームは、通常のコバルト酸リチウム電池を強化するために2つの戦略を使用しました。コバルトの代わりに鉄を使用して酸素を反応プロセスに強制します。

酸素も電気エネルギーを貯蔵および放出する場合、バッテリーはより多くのリチウムを貯蔵して使用するためのより大きな容量を持ちます。他の研究チームが過去にこの方法を試しましたが、成功したのはほんのわずかです。

「問題は、反応に酸素を入れようとすると、化合物が不安定になることでした」と八尾氏は語った。 「バッテリーから酸素が放出され、反応が不可逆的になります。

WolvertonとYaoは、作業を可逆的にする公式を見つけました。彼らは最初に鉄を鉄に置き換えました。これは周期表で最も安価な元素の1つであるため有益です。計算を通じて、彼らはリチウム、鉄、酸素イオンの正しいバランスを発見しました。その結果、鉄と酸素が同時に可逆反応を促進し、酸素の漏れを防ぎます。

ウォルバートン氏は、「私たちは金属と酸素から電子を受け取り、使用する金属は鉄であるため、私たちの電池は興味深い化学組成を持っているだけでなく、より安価な電池を作ることも可能にします」と語った。

もう1つの重要な側面は、完全に充電されたバッテリーは1つのリチウムイオンで始まるのではなく、4つのリチウムイオンで始まることです。現在の反応は、主に既存のバッテリーの容量を増やすために、リチウムイオンの1つを可逆的に利用できるようにすることです。しかし、酸素と鉄を使用して反応全体を駆動する可能性は確かに魅力的です。

「すべての金属には4つのリチウムイオンがあり、すべてが変化します」とWolverton氏は述べています。 「これは、スマートフォンを8回伸ばすことができるか、車を8回開くことができることを意味します。電気自動車が走行距離とコストの点でガソリン車と競争できるなら、これは世界を変えるでしょう。」

Wolvertonは、ノースウェスタン大学のイノベーションおよびベンチャーキャピタルオフィスにバッテリーの一時的な特許を申請しました。今後、ウォルフトンと彼のチームは、この戦略が機能することを証明するために他の化合物を発見することを計画しています。

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