新しい固体リチウム電池：自己充電機能による充電および放電の120倍の容量の2％の損失

リチウム空気電池は、同じ重量でより多くの電力を供給するため、電気自動車やその他のモバイル電子機器で広く使用されています。ただし、リチウム空気電池には多くの欠点があります。高熱（大量の化学エネルギーが熱エネルギーに変換され、機器に提供されない）、寿命が短く、高価で複雑な製造プロセス（電池に空気を充電するには高価な機器が必要）、非常に面倒です）。

最近、マサチューセッツ工科大学の原子力工学の教授であるLijuと、MIT、アルゴンヌ国立研究所、北京大学で働いているZhuzhiと他の5人の著者がNatureEnergy誌に書いています。 「ナノリチウムカソード」と呼ばれる新技術が報告されており、これを使用して、リチウム空気電池と同様の特性を備えた密閉型リチウム電池を製造し、上記の問題を克服することができます。

リチウム空気電池の弱点の1つは、充電と放電の電圧が変化し、放電電圧が充電電圧より1.2ボルト低いため、各充電プロセス中に熱エネルギーの形で失われるエネルギーは30％もの高さ。 「充電が速すぎると、リチウム電池が実際に燃える可能性があります。」

ガスを閉じ込めます。

従来のリチウム空気電池が放電すると、空気中の酸素を使用して電池内のリチウムと反応します。充電されると、酸化リチウム中の酸素が大気中に放出されます。

新しいナノメートルのリチウムカソード電池も酸素とリチウムを使用しています。違いは、排出されると、酸素がガスの形で放出されるのではなく、固体に囲まれることです。具体的には、酸素は3つの酸化状態のLi2O、Li2O2、LiO2の3つの固体化合物に封入されており、これら3つの物質は二酸化コバルトガラスに封入されています。

これの利点は、ナノリチウムカソードバッテリーが充電および放電時の電圧差を1.2ボルトから0.24ボルトまで5倍に減らすことです。したがって、充電時に熱エネルギーの形で失われるエネルギーはわずか8％です。これは、過熱火災を心配することなく、車のバッテリーをより速い速度で充電できることを意味します。

リチウム空気電池の2つ目の欠点は、ガスの形で放出された酸素が電池のイオンチャネルを破壊し、リチウム電池の寿命を縮めることです。

新しい技術は、二酸化コバルトガラスを使用して、リチウムと酸素をナノスケールの空間に包みます。科学者たちはこの構造をナノリチウムと呼んでいます。このように、LiO2、Li2O2、およびLi2Oの変換は、材料の巨視的構造を変更しません。さらに、ナノリチウム粒子自体は非常に不安定であるため、ナノスケールチャネルを備えた二酸化コバルトガラスエネルギーは、それらを安定させるのにちょうど十分です。二酸化コバルトは、充電と放電の触媒としての役割も果たします。

Liju氏によると、従来のリチウム空気電池は、空気中の水蒸気と二酸化炭素がリチウムと反応するため、実際にはリチウム酸素電池にすぎません。したがって、リチウム空気電池には、水蒸気と二酸化炭素を除去するための巨大な補助システムを装備する必要があります。これは非常に難しいステップです。新しい固体リチウム電池には、この問題はもうありません。

自己完結型の過充電機能

新しいリチウム全固体電池は、電池内の化学反応が負のフィードバックによって自己調整し、電気がいっぱいになると反応が自動的に停止するため、独自の充電防止機能も備えています。従来のバッテリーが過充電されると、バッテリーに不可逆的な損傷を引き起こし、爆発することさえあります。しかし、実験では固体リチウム電池を15日間連続充電し、充電量は電池容量の100倍でしたが、電池は無傷でした。

充電と放電の実験では、固体リチウム電池は120回再充電され、容量は2％しか失われませんでした。これは、従来のリチウム空気電池の寿命をはるかに超えていることを意味します。固体リチウム電池は補助空気浄化システムを必要としないため、電気自動車やグリッドストレージステーションにも簡単に適用できます。

固体酸素カソードはリチウムイオン電池のカソードよりもはるかに軽いため、新しい固体リチウム電池は、同等の重量のリチウムイオン電池の2倍の電力を蓄えることができます。技術の進歩により、新しいバッテリーの電力は再び2倍になります。

新しいバッテリーの大きな利点は、高価で希少な材料を使用する必要がないことです。バッテリーの炭酸塩電解液は非常に安価です。さらに、二酸化コバルトガラスはナノリチウム粒子よりも50％軽量です。したがって、リチウム空気電池と比較して、新しい電池は非常に安価で安全であり、大規模なアプリケーションの可能性があります。研究チームは、実用的なプロトタイプの生産を1年以内に完了する予定です。

プロジェクトに参加しなかったオレゴン州立大学の准教授であるJixuleiは、新しいリチウム電池技術が従来のリチウム空気電池に比べて大幅な改善を行ったと述べました。スーパーオキシド溶質は炭酸塩誘電体でうまく機能し、酸素の介入をまったく必要としません。充電と放電の過程で、カソード材料はすべて固体であるため、新しいバッテリーの取り付けと使用は非常に便利です。

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