リチウムイオン電池の容量を増やす方法

市販のリチウムイオン電池の容量は、カソード材料の理論容量によって制限されます。現在、研究者は主に新しいカソード材料の開発と改良された電極工学技術を使用して、バッテリーの充電および放電容量を増やしています。電池の電極材料の一部を改善することによって電池の容量を改善することに焦点を合わせた研究はほとんどありません。ダイヤフラムはリチウムイオン電池の重要な部分であり、リチウムイオン電池の耐用年数、安全性、エネルギー密度、電力密度に直接影響します。市販のリチウムイオン電池ダイヤフラムは通常ポリオレフィンから作られ、電解質の浸透と熱安定性が悪い。

再生可能で安価なセルロースダイヤフラムには、優れた親水性、調整可能な構造と高い柔軟性、および熱安定性Gaoheの簡単な製造プロセスという利点があります。今日、セルロースベースのダイアフラムの研究は、主に電解浸透性の良い安全なダイアフラムの開発に焦点を合わせています。化学的に機能しながらバッテリー容量を増やすことができるセルロースベースダイアフラムの調製については、ほとんど研究が行われていません。従来の市販のダイアフラムとその変更されたダイアフラムは、単一のバッテリーで約15〜20インチの体積を占めることを指摘しておく必要があります。理論的には、ダイヤフラムの厚さを薄くしてバッテリー容量を増やすことにより、それに応じて他の活物質の量を増やすことができます。しかし、極薄ダイアフラムを作成し、バッテリーダイアフラムの必要かつ重要な特性を維持するための信頼できる方法はありません。

【結果紹介】

最近、スウェーデンのウプサラ大学の主任研究員であるWangzhaohuiと、Leiff Nyholm（共同ニュースレターの著者）などが、AdvencyScienceに関する「Redox-ActiveSprematorium-IonBatteries」というタイトルの研究を発表しました。この作業では、チームは、簡単な製紙プロセスを通じて、ナノセルロース繊維（NCF）とポリピロール（PPy）複合材料で構成される柔軟なメソポーラスレドックスアクティブダイアフラムを準備しました。レドックスアクティブダイアフラムは2層構造で、1つは厚さ約3μmの絶縁NCF層で、もう1つは厚さ調整可能なレドックス活性を持つPPy / NCF複合層で構成されています。その中で、NCF層は電極間の主要な絶縁体として機能します。レドックスアクティブPPy / NCF複合層は、NCF層の機械的サポートを提供し、リチウムイオン電池に追加の容量を提供できます。チームは、柔軟なレドックスダイアフラムが、熱安定性と電解質の濡れ性の点で、市販のポリエチレンダイアフラム（PE）よりも大きな利点があることを発見しました。レドックスアクティブダイアフラムは、バッテリーサイクルの概念検証中に短絡を観察しませんでした。また、PPy層が存在するため、バッテリー容量が大幅に増加しました。コンセプトバッテリーでは、LiFePO4（LFP）が正極の場合、レドックスアクティブダイアフラムを使用したリチウムイオンバッテリーは67μAhcm-3/ 81mAhg-1の容量を示すことができます。得られる容量は、従来のダイヤフラムを使用したリチウムイオン電池で得られる容量よりも高くなっています（ダイヤフラムと正極の総体積/重量に基づく）。これは、レドックスアクティブダイアフラムを使用すると、ダイアフラムを交換することにより、従来のリチウムイオン電池の容量を増やす新しい方法を提供できることを示しています。

【グラフィックガイド】

図1（a）従来のダイヤフラム、b）レドックスアクティブダイヤフラムの側面図

電気化学的アクティブダイヤフラムはリチウムイオン電池の容量を増やします

注：薄緑色の領域：絶縁材料。薄い灰色の領域：レドックス活性成分

設計思想：薄い絶縁層と導電性レドックス材料で構成された多孔質支持層を組み合わせることにより、バッテリーの安全な動作を保証するだけでなく、従来のダイアフラムと同様の厚さの柔軟なレドックスアクティブダイアフラムを得ることができます、バッテリーの容量を増やすこともできます。

図2CO2削減の活性化ダイアフラムの準備と形態的特徴

電気化学的アクティブダイヤフラムはリチウムイオン電池の容量を増やします

A）レドックスアクティブダイヤフラムの準備プロセスの概略図。

B）柔軟なレドックスアクティブダイヤフラムの写真。

C）NCF層のSEM図。

D）PPy層を使用したSEM図。

E）引き裂かれたレドックスアクティブダイヤフラムのSEM図。

図3異なる膜の多孔質構造

電気化学的アクティブダイヤフラムはリチウムイオン電池の容量を増やします

NCFベースのダイアフラム、レドックスアクティブダイアフラム、PPy @ NCFs複合膜：a）開口分布。 （b）累積ボアボリューム。

図4電解質の熱安定性と濡れ性の試験

電気化学的アクティブダイヤフラムはリチウムイオン電池の容量を増やします

（a）高温でのPEダイアフラム（上の図）とレドックスアクティブダイアフラム（下の図）の熱安定性テスト（左：熱処理前、右の図：熱処理後）。

B）PEダイアフラムとレドックスアクティブダイアフラムの電解吸湿性試験（左：電解質の滴定前、右：電解質の添加後）。

図5LiFePO4を正極、Liを負極として、負極と異なるダイアフラムで構成されたセルの電気化学的特性

電気化学的アクティブダイヤフラムはリチウムイオン電池の容量を増やします

A）02Cレートでの充電/放電曲線。

B）スキャンレートが0.2 MVs-1のサイクリックボルタンメトリー曲線。

（c）多重度のパフォーマンス。

D）CellIの周期的安定性。

注：1。レドックスアクティブダイアフラム、NCFダイアフラム、PEダイアフラム、GFダイアフラムの厚さはそれぞれ10、10、25、255μmです。 2、CellI：LFPは正極、Liは負極、レドックスアクティブダイアフラムのPPy層はLFP正極と接触しています。 3、GFダイヤフラム：グラスファイバーダイヤフラム

図VI容量増加のメカニズムと異なるダイヤフラムの重量/体積容量の比較

電気化学的アクティブダイヤフラムはリチウムイオン電池の容量を増やします

A）レドックスアクティブダイアフラムを含むLFP / Liバッテリーの概略図（ダイアフラムのNCFはLiの負極と直接接触しています）。

B）ダイヤフラムと正極の重量/体積とLFP / Liバッテリーの重量/体積の比較。

図VIIダイアフラムとしてPEを備えたセル（LFP-PPy）/レドックスアクティブダイアフラムを備えたLiおよびCellIバッテリーの重量容量の比較

電気化学的アクティブダイヤフラムはリチウムイオン電池の容量を増やします

[概要]

この研究では、リチウムイオン電池の電気化学的性能を改善するために、多孔質レドックス活性層を導入することによって二重層セルロース膜を得る設計方法を提案します。レドックスアクティブダイアフラムは追加の容量を提供できるため、従来の市販のダイアフラムをレドックスアクティブダイアフラムに置き換えると、LiFePO4を正極、Liを負極とするリチウムイオン電池の容量が0.16mAhから0.276mAhに増加します。著者らは、さらなる研究により、電気活性層の厚さおよび電気活性材料の組成を改善することにより、容量を増加させることができると指摘している。レドックスアクティブダイアフラムによる電気化学的エネルギー貯蔵システムの容量の増加は、高エネルギー密度の薄膜リチウムイオン電池およびその他の電子製品の開発に新しいアイデアを提供します。

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