デラウェア大学研究グループ：リチウム金属電池の有害な結晶の形成を含む

スマートフォンから電気自動車まで、今日の技術の多くはリチウムイオン電池を使用しています。これは、消費者が充電器の利便性を維持しなければならないことを意味します。 iPhoneXのバッテリーの通話時間はわずか21時間ですが、テスラSモデルの航続距離は335マイルです。つまり、デラウェア州ニューアークからロードアイランド州プロビデンスまでは移動できますが、ボストンまで1回の充電で移動できるわけではありません。

世界中の科学者（リチウムイオン電池の発明者であるジョン・グッドイナフでさえ）は、充電式電池をより安全に、より軽く、より強力にする方法を探しています。

現在、デラウェア大学の機械工学教授であり、燃料電池および電池センターの所長であるBingqing Weiが率いる国際的な研究チームは、リチウム金属電池の幅広い使用の基礎を築くために取り組んでいます。これは、家庭用電化製品で一般的に使用されているリチウムイオン電池よりも容量が大きくなります。チームは、リチウム金属電池での樹状突起の形成を軽減する方法を開発しました。これは、NanoLettersに掲載された論文で説明されています。

リチウム金属電池の約束（およびトラップ）

リチウムイオン電池では、アノードまたは電流発生側は、リチウムイオンが結合しているグラファイトなどの材料でできています。リチウムイオンはカソード側またはコレクター側に流れます。

リチウム金属電池では、アノードはリチウム金属でできています。電子は陽極から陰極に流れて電気を生成します。リチウムは最も導電性の高い金属であり、容量が非常に大きいため、リチウム金属製の二次電池には多くの可能性があります。

「理論的には、リチウム金属はバッテリーにとって最良の選択の1つですが、実際に扱うのは困難です」とWei氏は述べています。

リチウム金属電池はこれまで非効率的で不安定であり、火災の危険さえあります。それらの性能は、リチウム堆積物から作られた小さな石筍のように見えるリチウムデンドライトによって妨げられます。バッテリーを使用すると、リチウムイオンがアノードに集まります。時間の経過とともに、リチウムの堆積物が不均一になり、これらのデンドライトが形成され、バッテリーの短絡を引き起こす可能性があります。

新しい理解

世界中の研究グループは、これらの樹状突起の形成と成長を阻害するためにさまざまな技術を試してきました。文献を研究した後、Weiは、ほとんどすべての適用技術が保護傘の下で理解できることを発見しました。システムに多孔質材料の層を導入すると、デンドライトがアノードに蓄積するのを防ぎます。

チームは数学的モデリングを使用して、多孔質材料が樹枝状の開始と成長を阻害することを発見しました。実際に形成されるデンドライトは、多孔質膜を欠くシステムで形成されるデンドライトよりも75％短い。この発見をさらに証明するために、チームは多孔質窒化ケイ素フィラメントで作られたダイアフラムを作成しました。これは、各ダイアフラムの100万分の1未満です。次に、フィルムをバッテリー内のリチウム金属バッテリーに統合し、3,000時間実行しました。樹状突起は成長しませんでした。

「この基本的な理解は、私たちが使用する窒化ケイ素に限定されないかもしれない」とウェイ氏は語った。 「他の多孔質構造もこれを行う可能性があります。」

さらに重要なことに、この原理は、亜鉛またはカリウムベースのバッテリーなどの他のバッテリーシステムにも拡張できると彼は述べた。

「この金属電池の分野では、これが最新の理解です」と彼は言いました。 「これは大きな影響を与える可能性のある仕事です。」

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