リチウム電池が大容量に挑戦する方法

クリーンエネルギーの普及の新時代を楽しみにしています。この時代の特徴の一つとして、人々はテスラの電気自動車のような新しい車が通りを走り回っているのを見たいと思っています。ガソリンを必要とする代わりに、それは電気でいっぱいのリチウム電池によって動力を与えられます。その時までに、道路の両側のガソリンスタンドは充電ステーションに置き換えられます。最新のニュースは、上海がテスラの電気自動車に無料のライセンスを付与し、中国での過給ステーションの建設をより迅速にサポートすることを発表したことです。

しかし、電気自動車に使われているバッテリーが携帯電話のバッテリーと根本的に変わらないことに気付くと、明るい未来の高揚感が雲に覆われるかもしれません。携帯電話のパーティーがよく悲しむのはバッテリーの寿命です。多くの人の携帯電話は朝と午後にいっぱいになります。それらは1日1回満たされなければなりません。ラップトップにもこの問題があり、数時間で電力が不足する可能性があります。電気自動車の有用性は、遠くないときに頻繁に充電する必要があるという事実によって疑問視されています。テスラで唯一の市場で唯一のモデルS電気自動車は、フル充電後480 kmと言われる最高装備のモデルであり、すでに目覚ましい成果を上げています。

バッテリーが「耐久性がない」のはなぜですか？ある空間において、材料が蓄えることができるエネルギーの大きさは「エネルギー密度」と呼ばれます。エネルギー密度のランキングから判断すると、バッテリーはほぼ最下部にあります。キログラムあたりに生成されるエネルギーを指標として使用すると、1日あたりのガソリン使用量は50 MJに達する可能性がありますが、リチウム電池の平均レベルは1MJ未満です。他の種類のバッテリーも非常に低いレベルでホバリングします。明らかに、バッテリーのボリュームを無限に大きくすることはできません。バッテリーの容量を増やすためには、バッテリーのエネルギー密度を上げることに集中することしかできませんが、それは困難です。このテクノロジーの何がそんなに難しいのですか？記者は、浙江大学の化学の准教授であるLiurunにインタビューし、電池の内部構造の秘密を分析するための例としてリチウムイオン電池（リチウム電池）を取り上げました。

電解質は重要です。

バッテリーは電子の移動によりエネルギーを供給することができます。バッテリーが回路に接続され、スイッチがオンになり、電流がオンになります。この時点で、電子は負極から流出し、回路を通過して正極に到達します。その過程で、電子機器が携帯電話をサポートしたり、テスラの電気自動車を運転したりします。

リチウム電池の電子はリチウムから供給されます。それで、バッテリーにリチウムが入っていると、エネルギー密度は上がりませんか？残念ながら、リチウムイオン電池を充電可能にするには、その内部構造がエネルギー密度を犠牲にする必要があります。 Liurunは、リチウム電池の内部構造には、電解質、負極材料、正極材料、およびダイアフラムが含まれると指摘しました。それぞれに独自の特別なプロセス要件があり、独自の機能を果たし、不可欠です。この構造は、リチウム電池のエネルギー密度の増加を制限します。

まず、バッテリー輸送パイプラインに欠かせない電解質。 「バッテリーが放電すると、リチウム原子は電子を失い、リチウムイオンになります。このとき、リチウム原子はバッテリーの一方の極からもう一方の極に流れ、バッテリーが充電されると逆流します。」とLiurun氏は述べています。バッテリーの2つの極でのリチウムイオンの動きは、リチウムバッテリーのリサイクルの鍵を構成し、電解質はその自由な移動を保証します。電解液は川の水のようなもので、リチウムイオンは魚のようなものです。河床が乾燥していて魚が向こう側に届かない場合、リチウム電池は正常に動作しません。

電解質は、電子ではなくリチウムイオンのみを運ぶので素晴らしいです。これにより、回路が接続されている場合にのみバッテリーが放電します。同時に、電解質によっては、リチウムイオンの動きが整然と明確になり、電子が常に一方向に動き、電流が発生します。

安定性のための正極と負極

電解質はエネルギーを供給せず、十分に小さくはありませんが、リチウム電池には絶対に欠かせません。では、なぜグラファイトをベースにしたネガティブな材料を減らすことができないのでしょうか。グラファイトは鉛筆の芯を作る材料であり、電子を供給する責任はありません。 「請求がうまくいかないようにするためです」と氏。リウルンは言った。

充電すると、リチウムイオンは正極から電解質にジャンプして負に戻り、そこで電子がリチウム原子になり、集まって次の放電の準備をします。ただし、リチウム自体は電子の優れた伝導体です。その後、リチウムイオンは負極に到達しなかった可能性があり、リチウム原子に変わった前任者から電子を取得しました。このように、リチウム原子はバッテリー内の雑草のように成長し、結晶に見える可能性があります。このプロセスは「結晶化」と呼ばれます。リチウム結晶の残酷な成長は、最終的にダイヤフラムを貫通し、バッテリーを短絡させます。

この問題を解決するために、科学者たちは、小さな部屋のように表面のボイドを使ってグラファイトを使ってネガティブな材料を作り、リチウム原子が安全に内部に留まり、相互作用しないようにしました。その結果、リチウム原子は落ち着きますが、バッテリーのエネルギー密度は再び低下します。

同様の理由がバッテリーの正極にも当てはまります。電池の安定性と秩序を維持するために、正極材料も特別に設計されています。充電時にすべてのリチウムイオンがマイナス極に戻るわけではありません。リチウムイオンの約半分が残ります。これはまた、バッテリーのエネルギー密度を弱めます。

大容量の課題

客観的には、リチウム電池は小型、軽量、長寿命、低コスト、安全で環境にやさしく、より短い充電時間でより長期間使用できます...すでに非常に高いです人間が現在見つけている高品質のバッテリー..しかし、科学者は常に卓越性を追求しています。 Liurun氏は、改善の鍵は、バッテリーのエネルギー密度を高めるために、より良い正と負の材料を見つけることであると述べました。

ネガティブ材料の可能な代替品は、グラファイトのほぼ10倍のエネルギー密度を持つリチウムシリコン合金です。より安定したポジティブマテリアルを見つけることはさらに重要です。現在、コバルト酸リチウムが主に使用されています。この材料は非常に高価ですが、安定性とエネルギー密度は十分ではありません。科学者たちは、それを鉄またはマンガンの酸化物に置き換える可能性を研究しています。

近い将来、より大きなバッテリー容量を取得することは可能ですか？科学者たちはまだリチウムに取り組んでいます。リチウムは電子の割合が高い反応に関与するため、金属リチウムはエネルギー密度が大きくなります。リチウム硫黄電池とリチウム空気電池の両方に理論的な可能性があります。それらはバッテリーですが、ガソリン燃料と同じくらいのエネルギーを供給することができます。しかし、実用的な開発とプロモーションは依然として多くの課題に直面しています。

電気自動車に興味があるようですが、しばらく走ると有料になるという事実を一時的に受け入れる必要があります。ニューヨークの科学者たちは最近、ソーラーパネルを使用してマンホールの蓋を作成し、電気自動車をいつでも道路に駐車して充電できるようにする新しい発明を開発しました。テスラにとっては朗報ですね。

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