研究者は、高い記録容量を備えた安定したリチウムイオン電池の材料を予測しています

ノースウェスタン大学の研究チームは、高い記録容量を持つ新しいバッテリーを安定させる方法を発見しました。リチウムマンガン酸化物カソードをベースにしたこの画期的な製品は、スマートフォンやバッテリー駆動車の寿命を2倍以上延ばすことができます。

「この電池電極は、すべての遷移金属酸化物ベースの電極でこれまでに報告された最大容量の1つを達成し、現在、携帯電話またはラップトップの2倍以上の材料容量です」とJerome B. ChristopherWolfton氏は述べています。この研究を担当したノースウェストマコーミック工学院の材料科学工学科のコーエン教授は、「この大容量は、電気自動車用のリチウムイオン電池の大きな前進を意味するだろう」と述べた。

この研究は、5月14日にサイエンスアドバンシスでオンラインで公開されました。

リチウムイオン電池は、リチウムイオンをアノードとカソードの間で往復させることによって機能します。カソードは、リチウムイオン、遷移金属、および酸素を含む化合物でできています。遷移金属（通常はコバルト）は、アノードからカソードに移動して戻るときに、電気エネルギーを効果的に蓄積および放出します。その場合、カソードの容量は、反応に関与する遷移金属中の電子の量によって制限されます。

フランスの研究チームは、2016年に最初に大容量のリチウムマンガン酸化物化合物を報告しました。従来のコバルトをより安価なマンガンに置き換えることにより、チームは容量が2倍以上の安価な電極を開発しました。しかし、これには課題がないわけではありません。最初の2サイクルの間に、バッテリーの性能は大幅に低下し、研究者はそれが商業的に実行可能であるとは考えていませんでした。彼らはまた、大量のまたは劣化した化学物質源を完全には理解していません。

カソード原子の原子マップの詳細な説明の後、ウォルフトンのチームは、材料の高容量の背後にある理由を発見しました。それは、酸素を反応プロセスに参加させることです。遷移金属に加えて、バッテリーは、酸素を使用して電気エネルギーを貯蔵および放出することにより、リチウムを貯蔵および使用する能力が高くなっています。

次に、北西部のチームは、バッテリーの急激な劣化を防ぐためにバッテリーを安定させることに注意を向けました。

「充電プロセスの知識を活かして、高スループットの計算を使用して元素の周期表をスキャンし、この化合物を他の元素と合成してバッテリーの性能を向上させる新しい方法を見つけます」と、論文の筆頭著者であるZhenpengYaoは述べています。元医師、ウォルフトンラボの学生。

計算により、クロムとバナジウムの2つの元素が特定されました。チームは、元素を二酸化マンガンリチウムと混合すると、これまでにないほどカソードの高容量を維持する安定した化合物が得られると予測しています。次に、ウォルフトンと彼の共同研究者は、これらの理論的化合物を実験室で実験的にテストします。

この研究は、米国エネルギー省の科学局の基礎エネルギー科学部門によって資金提供されたDE-AC02-06CH11357エネルギーフロンティア研究センターである電気化学エネルギー科学センターによってサポートされました。ハーバード大学のポスドク研究員である八尾とマサチューセッツ工科大学のポスドク研究員であるSooKimは、どちらもウォルフトン研究室の元メンバーであり、論文の最初の著者です。

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