新しいリチウム空バッテリー、想像を超えたアプリケーションの最前線

バッテリーカソードの新しい概念では、酸化リチウム化合物のナノ粒子がスポンジ状の酸化コバルト格子に埋め込まれ、バッテリーを安定に保ちます。同時に、材料は従来の密閉型電池と同様に電池にパッケージ化できますが、より多くのエネルギーを提供できます。

電気自動車や携帯型電子機器では、リチウム空気電池は同じ品質でより高いエネルギーを提供できるため、明るい未来があります。しかし、バッテリーには大きな欠点もあります。熱として注入されたエネルギーを大量に失い、バッテリーは徐々に劣化します。さらに、酸素を輸送または出力するために高価な追加コンポーネントも必要です。これは、従来の密閉型バッテリーとは逆のオープンバッテリー構造です。

しかし、化学電池は、従来の完全に密閉された電池で使用できます。この新しい変更は、これらすべての欠点を克服しながら、同様の理論的特性をリチウム空気電池に適用できることを示しています。 nanolithiaと呼ばれるカソードバッテリーは、JuLiとポスドクのZiZhu、およびマサチューセッツ工科大学の5人を通じてNatureEnergy誌の論文に発表された新しいバッテリーの概念です。 JuLiは、マサチューセッツ工科大学の原子力科学工学のバトルエネルギーアライアンスの教授です。マサチューセッツ工科大学は、中国のアルゴンヌ国立研究所と北京大学の出身です。

Li氏は、リチウム空気電池の欠点の1つは、充電および放電された電池に関して電圧が一致しないことであると説明しました。バッテリーの出力電圧は1.2ボルトを超えていますが、このときの電圧は充電に使用した電圧よりも低くなっています。明らかに、各充電サイクル中に電力損失があります。 「充電するときに電気の30％を熱として浪費します。実際、充電が速すぎると、バッテリーが燃え尽きる可能性があります」と彼は言いました。 「」

従来のリチウム空気電池は、放電サイクル中に外気から酸素を吸収して化学反応を促進し、充電サイクルの逆反応中に酸素が再び大気中に放出されます。充電と放電の新しいラウンドでは、リチウムと酸素の間の電気化学反応が通常どおりに発生しますが、この時点での反応はもはや酸素をガス状に還元しません。

対照的に、酸素は固体内に存在し、3つの異なる固体化合物Li2O、Li2O2、およびLiO2に結合し、それらをカップ内で混合しながら、その3つの原子価状態間で直接レドックス変換されます。これにより、電圧損失が1.2Vから0.42Vに5分の1に減少するため、電気の8％のみが高温になります。 「自動車の場合、これは充電が速く、バッテリーからの熱放出が少なく、エネルギー効率が高いことを意味します」とLi氏は述べています。 「」

この方法は、リチウム空気電池のもう1つの欠点を克服するのに役立ちます。電気化学反応の充電と放電のプロセスが進むにつれて、酸素はガスと固体の間で変換されます。このとき、材料は大きな体積変化を受ける必要があるため、構造内の導電経路が乱れ、その結果、耐用年数が大幅に制限されます。新しいアイデアは、カップにリチウムと酸素を含むナノスケールの粒子を作成して、酸化コバルトの格子にしっかりと閉じ込めることです。

研究者たちは、これらの粒子をナノリチアと定義しました。この形式では、LiO2、Li2O2、およびLi2Oはすべて固体材料の内部で発生する可能性があります。ナノリチア粒子は通常非常に不安定であるため、研究者はそれらを酸化コバルト格子に埋め込み、細孔径がわずか数ナノメートルのスポンジ材料を形成しました。このモデルは、粒子の安定性に有益であり、粒子の変換の触媒としても機能します。

Li氏は次のように説明しています。「従来のリチウム空気電池は、水や二酸化炭素の除去が難しいため、本当に乾電池です。」したがって、流入する空気は注意深く洗浄し、バッテリーに注入する必要があります。二酸化炭素と水分を除去するために多くの補助システムが必要ですが、これはしばしば困難です。しかし、新しいバッテリーはこの問題を回避するために外気を必要としません。チームはまた、新しいバッテリー自体が過充電によって保護され、その場合、化学反応自体が制限されることに注意しました。過充電されると、反応は別の形に変化し、それ以上の反応を妨げます。

Li氏は次のように述べています。「一般的なバッテリーの場合、過充電すると不可逆的な損傷や爆発を引き起こす可能性がありますが、ナノリチアバッテリーの場合、容量の100倍まで15日間過充電し、損傷を引き起こすことはありません。」循環実験では、新しい実験室バージョンのバッテリーは、120サイクルで2％未満の容量損失を示しました。これは、バッテリーの耐用年数が長いことを示しています。リチウム空気電池は、補助部品なしで従来の固体リチウムイオン電池と同じように設置および操作できるため、既存のデバイスや従来のバッテリー設計の自動車、電子機器、さらにはグリッドスケールの電力貯蔵にも簡単に適応できます。

チームメンバーは次のように述べています。「これらの「固体酸素」カソードは従来のリチウムイオン電池カソードよりも軽いため、新しい設計では、所定のカソード重量に対して2倍のエネルギーを蓄えることができます。」 「さらなる開発により、バッテリーは最終的にその容量を再び2倍にすることができるでしょう」とLiは言いました。 「すべてが高価な部品や材料を必要としない」とリー氏は語った。たとえば、彼らが使用する電解質は最も安価な炭酸塩です。 「酸化コバルトはナノリチアより50パーセント未満重い」とリー氏は語った。 「要するに、安価な新しいバッテリーシステムは、リチウム空気電池よりも非常にスケーラブルで安全です。」そのアプリケーションの見通しは無限であると私は信じています。

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