リチウム電池の2倍の貯蔵のための材料の簡単な説明

長年にわたり、大量生産されたリチウムイオン電池は、アノードとしてグラファイトと銅に依存してきました。何年もの間、研究者は、高コストの生産や限られた貯蔵容量など、これらの材料の制限を克服できる代替材料を探してきました（たとえば、シリコンは別の一連の問題を引き起こしますが、10倍のエネルギーを貯蔵できます）。

電流アノードの作成は、グラファイトを銅箔でコーティングする面倒な多段階プロセスです。しかし、テキサス大学オースティン校の材料科学者であり、新しい研究の筆頭著者であるKarl Krederが、製造プロセスとバッテリー自体の観点から説明しているように、これは非効率につながる可能性があります。

クレダー氏は次のように述べています。「したがって、活物質（グラファイト）は不活性コレクター（銅）の上部に塗装されます。これにより、システムの容量と不活性材料の品質が向上します。コレクターと活物質を組み合わせることで、より大容量の活物質が得られます。非アクティブな集電材料を使用しながら使用できます。」

クレダーと彼のチームは、面倒なコーティングプロセスを排除した簡素化された製造方法によってこれを達成しました。スズをブロックに鋳造する場合、スズをアルミニウムに直接添加して合金を形成し、それを機械的に圧延して（比較的安価で一般的な冶金合金プロセス）、ナノ構造の金属箔にすることができます。最後のステップでは、材料内の粒子が減少します。これは非常に重要です。

クレダー氏は次のように説明しています。「スズはリチウムと合金化できます。残念ながら、スズ箔を使用したり、ミクロンサイズのスズ粒子を使用したりすると、体積膨張によりスズをリチウムと合金化するとスズが破損します。スズペレットは、数十回の充電と放電のサイクルにしか耐えられないバッテリーを作りますが、ナノスケールのスズ粒子が生成された場合、合金化中に粒子は分裂しません。」

研究者たちは、クロス共晶合金（IdEA）アノードとして知られている材料を呼びました。彼らは、材料の厚さは従来のアノード材料の厚さのわずか4分の1であり、重量は従来の材料の半分にすぎないと考えています。彼らは、小型リチウムイオン電池でアノード材料をテストし、それを充電および放電して性能を測定しました。彼らは、アノードが従来の銅-グラファイトアノードの2倍の電力を蓄える能力を持っていることを発見しました。

クレダー氏は次のように述べています。「この理由は非常に優れています。一方の元素は活性で、もう一方は不活性で、アルミニウムです。」アルミニウムはスズが残る導電性マトリックスを生成し、アルミニウムは構造と導電性を提供しますが、スズ合金はバッテリーのサイクル中にリチウムと合金を除去します。

「電極ナノ材料を製造するための安価でスケーラブルなプロセスを開発できることは本当にエキサイティングです」と、チームのリーダーの1人であるテキサス材料研究所の所長であるAraugamManthiramは述べています。私たちの結果は、この材料がリチウムイオン電池の商品化に必要な性能測定基準の点で成功していることを示しています。 「」

研究の結果は、ジャーナルACSENEYLETTERSに掲載されました。

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