新しいリチウム電池が超長寿命を実現できる理由

クリストファーウォルバートンのスーパーリチウム電池は理論的には機能します。難しい作業では、バッテリーは酸素を使用して化学反応を促進します。研究者たちは以前、これによりバッテリーが不安定になると信じていましたが、実験により、バッテリーが正常に動作するだけでなく、高性能であることがわかりました。

ノースワース大学のウォルバートン研究グループは、アルゴンヌ国立研究所の研究者と共同で、通常のコバルト酸リチウム電池よりも多くの酸化リチウム鉄電池を備えた充電式リチウム酸化鉄電池を開発しました。大容量のバッテリーにすることができ、スマートフォンや電気自動車を存続させることができます。

ノースウェスト大学マコーミック工学院の材料科学および工学教授であるウォルバートンは、次のように述べています。「この種の電池反応の予測計算は非常に有望ですが、確認する実験プロセスがない場合に現れる懐疑論者はたくさんいます。 。 「それは実際に非常に重要な役割を果たしました。」

リチウムイオン電池は、アノードとカソードの間でリチウムイオンを往復させることによって機能します。バッテリーが充電されると、イオンはアノードに戻り、そこで保存されます。カソードは、リチウムイオン、遷移金属、酸素化合物でできています。リチウムイオンがアノードからカソードに移動して戻ると、コバルトは電気エネルギーを効果的に蓄積および放出することができ、カソード容量はその後、反応に関与する遷移金属中の電子の数によって制限されます。

「伝統的に、遷移金属は反応する可能性がある」とウォルバートン氏は述べた。 「各コバルトは1つのリチウムイオンしか表していないため、ストレージの量には制限があり、さらに悪いことに、現在、携帯電話やラップトップのバッテリーは通常、カソードでリチウムの半分しか使用していません。」

コバルト酸リチウム電池は20年前から市場に出回っていますが、研究者たちはより安価で大容量の代替品を探しています。 Wolvertonのチームは、通常のコバルト酸リチウム電池を改善するために2つの戦略を使用しました。コバルトを鉄に置き換えることと、酸素を反応プロセスに参加させることです。

酸素が電気を貯蔵および放出することもできる場合、バッテリーはリチウムを貯蔵および使用するためのより効率的な能力を持ちます。他の研究グループが過去にこの戦略を試みましたが、これを達成した人はほとんどいません。 「問題は、反応に酸素を関与させようとすると、化合物が不安定になることです」と八尾氏は語った。 「酸素がバッテリーから放出され、反応は不可逆的になります。」

計算を通じて、WolvertonとYaoは可逆式を見つけました。まず第一に、彼らはコバルトの代わりに鉄を使用します。これは周期表で最も安価な元素の1つであるため非常に有利です。第二に、計算により、彼らは、酸素と鉄イオンが酸素を逃がさずに同時に可逆反応を駆動するように、リチウムイオン、鉄イオン、および酸素イオンの正しいバランスを見つけました。

ウォルバートン氏は次のように述べています。「鉄ではなく金属と酸素から電子を受け取るため、バッテリーは興味深い化学反応を示すだけでなく、より優れたバッテリーの方が安くなる可能性があります。さらに重要なことに、完全に充電可能なバッテリーは4つのリチウムで駆動されます。イオン、そして現在の反応はこれらのリチウムイオンの1つを可逆的に使用でき、今日のバッテリーの容量を大幅に超えます。ただし、鉄と酸素を使用して反応を駆動すると、4つのサイクルすべてが非常に有望になります。

ウォルバートン氏は次のように述べています。「各金属には4つのリチウムイオンが含まれています。これにより、すべてのリチウム電池が交換されます。つまり、携帯電話の寿命が8倍になるか、車の運転が8回続く可能性があります。範囲とコストの面でガソリン車、これは世界のエネルギー市場を変えるでしょう。

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