リチウムイオン電池をより安全で強力にするためには、正しい処方が必要です

パデュー大学の研究チームは、リチウムイオン電池の活性元素と不活性元素の関係、およびそれぞれのコンポーネントのマイクロ構造とナノ構造が電池の性能と安全性をどのように反映しているかについての研究を発表しました。

この研究は最近、ACS Applied Materials＆Interfaces誌の表紙に掲載されました。

「充電式電池はいたるところにあります」と、機械工学および研究プリンシパルの准教授であるParthaMukherjeeは述べています。 「私たちはいつでも2つまたは3つのポータブル電子製品を持ち運ぶことができます。しかし、バッテリー自体のさまざまな要素間の相互作用はまだ不明です。私の研究は、このギャップを埋めることを望んでいます。」

Mukherjeeの研究室であるエネルギー輸送科学研究所（ETSL）では、研究者はバッテリーや燃料電池など、さまざまな形態のエネルギー輸送と貯蔵を研究しています。彼らはコンピューターモデリングを使用して構成要素を含む新しい構成を提案し、ラボでさまざまな現象をテストします。

「それはケーキを焼くようなものです」と、機械工学の候補者であるAashutoshMistry博士は言いました。 「どのくらいの生地を使うべきですか？さくらんぼは何個入れれば美味しいですか？同様に、これらのバッテリー電極の基本的な比率やレシピを見てみましょう。微視的に変更するものはすべて、最終的に全体的なパフォーマンスに影響を与えます。 「」

「たとえば、電気自動車を見てみましょう」とMukherjee氏は述べています。 「人々は3つのことに興味を持っています。パフォーマンス：どれくらい速く運転できますか？寿命：充電する前にどれくらい運転できますか？最後に、セキュリティの問題。これらのバッテリーは、スマートフォンや電気自動車の爆発など、驚くべき方法で公共の場で故障するのを見てきました。したがって、これらの3つの側面：パフォーマンス、寿命、安全性は非常に重要です。これはトリッキーなバランスであり、すべてを正しくすることができます。」

時々彼らの研究室は意図的な失敗を再現するために一生懸命働いています。典型的な電気自動車では、バッテリーは巨大なユニットではありませんが、何千もの別々のバッテリーが一緒に接続されています。それが失敗した場合、近くの他の人々はどうなりますか？ 1つのテストでは、24ユニット（約1ブリックサイズ）のサンプルモジュールが意図的に過充電されました。 1つのセルが爆発し、連鎖反応ですべてのセルが発火します。

「バッテリー内部の温度と圧力は非常に高く、金属ケーシングを溶かして火災を引き起こします」と博士は言いました。ダニエル・ロブレス候補、彼はビニール袋の焦げた体を持っていたからです。 「電気自動車には、そのようなバッテリーが何千もあり、それらはすべてあなたの席の下にあります！だからこそ、これらの現象の基本を理解することが重要です。そうすれば、それを防ぐことができます。」

二次電池は通常、リチウムを貯蔵するための「活物質」からなる正極と負極で構成されています。 2つの電極の間には膜があり、リチウムイオンを輸送するプロセス全体を通して液体電解質があります。最後に、導電性添加剤やバインダー（「第2相」と呼ばれる）などの電気化学的に不活性な材料の組み合わせは、複合多孔質電極の物理的コンポーネントを形成し、導電性を高めるのに役立ちます。公開された研究で、Mukherjeeと彼のチームは、マイクロスケールとナノスケールでの活性相と二次相の関係、つまり多孔性、物理的形状、およびそれらの相互作用を研究しました。これらの特性のいずれかを変更すると、バッテリーの全体的なパフォーマンスが大幅に変化する可能性があります。

「私たちはまだこれらの複雑な相互作用を理解する初期段階にあります」とMukherjeeは言いました。 「しかし、これが私たちの研究の鍵です。マイクロおよびナノスケールの開発を、バッテリーの性能、寿命、安全性と結び付けます。」

二次電池の人気により、研究はますます重要になっています。 「携帯用電子機器から車両まで、大規模な電力網でも、バッテリーは広く使用されています。これは、エネルギー貯蔵研究にとって非常にエキサイティングな時期です。」

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