リチウム酸素電池について詳しく教えてください

前書き

この現代の生活では、多くの電子機器がリチウムイオン電池で駆動されています。これらのバッテリーにより、どこにいても携帯電話やラップトップなどのデバイスを簡単に使用できるようになりました。リチウムイオン電池は、高いエネルギー密度に関連しています。しかし、それらのエネルギー密度はまだ十分ではありません。より高いエネルギー密度の電源に対する需要が高まっており、それが代替案の探求につながっています。リチウムイオン電池のインターカレーション化学に代わるものを探す衝動が高まっているため、リチウム酸素電池への関心が高まっています。これらのバッテリーは、リチウムと酸素を金属酸化物に変換して再び充電することで充電および放電します。

リチウム酸素電池とは何ですか？

リチウム酸素電池は、リチウムイオン電池のような前任者よりも多くのエネルギーを詰め込み、長持ちすることができる新しいタイプの電池技術です。これらの電池は、一般的なリチウムイオン電池よりも持続可能な材料で作られています。実際、次世代の二次電池の有望な候補と考えられています。

リチウム酸素電池は、電解質によって分離されたアノードとカソードの2つの電極で構成されています。バッテリーが放電しているとき、カソード上の酸素分子は電解質からのリチウムイオンと結合して、過酸化リチウムとして知られる固体化合物を形成します。酸素とリチウムイオンの間の化学反応は、エネルギーを放出するものです。バッテリーが充電されると、過酸化リチウムが分解され、リチウムと酸素が初期位置に戻ります。

しかし、過酸化リチウムの鍛造は、エネルギーを浪費するいくつかの望ましくない化学副産物の形成につながります。これにより、リチウム酸素バッテリーは、蓄えられた電荷の約80％のみを電力を供給しているデバイスに供給します。これらの不要な化学物質は、バッテリーの電解質とカソードにも損傷を与える可能性があるため、バッテリーは、わずか数十回の再充電サイクルで故障することがよくあります。

ただし、より優れたリチウム酸素電池を構築する方法については、さらに多くの研究が進行中です。より良いバッテリーを構築するために、一部のメーカーは、無機溶融塩の典型的な有機電解質と、金属ベースのカソードの標準的な炭素ベースのカソードを置き換えました。

典型的なリチウム酸素電池の場合、別のデバイスを放電または電力供給しているときに、酸素とリチウムイオンの間で化学反応が起こり、カソードの表面に過酸化リチウム結晶が形成されます。一方、新しいリチウム酸素バッテリーを放電すると、カソードの表面に酸化リチウムが形成され、バッテリーがより多くのエネルギーを供給し、長持ちするようになります。

新しいリチウム酸素電池では、酸素がリチウムと結合して酸化リチウムを形成します。この化学反応により、バッテリーは過酸化リチウム反応よりも最大50パーセント多くのエネルギーを蓄えることができます。したがって、新しい設計は、以前の設計よりもエネルギー密度の高いバッテリーの製造につながる可能性があります。さらに、酸化リチウムを鍛造しても、過酸化リチウムのように不要な化学副産物が生成されることはありません。その結果、新しいリチウム酸素電池は、蓄積された電荷のほぼすべてを他のデバイスに放出することができ、他のリチウム酸素電池よりも多くの再充電サイクルを処理できます。

新しいバッテリーは、電気自動車により多くの希望を与えます。ただし、電気自動車で使用する前に行う必要のある作業がまだいくつかあります。主な理由は、新しいリチウム酸素電池が機能するには、少なくとも摂氏150度に加熱する必要があるためです。したがって、車を始動するときは、最初にバッテリーを加熱する方法を見つける必要があります。

バッテリー分野の進歩は通常信じられないほど遅く、研究室での有望な進歩が商業分野に移行するのに何年もかかります。新しいリチウム酸素電池は、現在市場に出回っているリチウムイオン電池や他の種類の電池と競争するために、はるかに多くのライフサイクルを達成する必要があります。

リチウム酸素電池の利点

誰もが、携帯電話、ラップトップ、さらには電気自動車などのさまざまな電子機器に電力を供給するために、より優れたバッテリーを持ちたいと考えています。ほぼ電子機器に使用されている現在のリチウムイオン電池は、十分なエネルギー密度を持っていません。毎日バッテリーを充電する必要があります。

リチウム酸素電池は、その重量に比例して高エネルギー出力を提供する理論的な可能性があるため、電気自動車や電子機器向けの非常に有望な電池技術と見なされています。これらのバッテリーは確かに究極のバッターとして宣伝されています。それらは、リチウムイオン電池の10倍の高エネルギー密度に関連付けられています。この高いエネルギー密度は、実際にはガソリンのエネルギー密度に匹敵し、現在市場に出回っている電気自動車の5分の1のコストと5分の1の重量の電気自動車が1回の充電で約500マイル走行できるようにします。

新しいリチウム酸素電池のもう1つの利点は、本質的に過充電から保護されていることです。これは、このバッテリーの化学反応が実際には自己制限的であるためです。バッテリーが過充電されると、化学反応が別の形に変化し、それ以上の活動が妨げられます。ほとんどの場合、一般的なバッテリーが過充電されると、不可逆的な構造的損傷を引き起こしたり、爆発したりする可能性があります。ただし、リチウム酸素電池は過充電による損傷はありません。

これらのバッテリーのもう1つの優れた点は、耐用年数が長いことです。新しいリチウム酸素バッテリーのラボバージョンは、120回の充電と放電のサイクルを経て、2％未満の容量損失を示しました。

新しいリチウム酸素電池は、実際には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、補助部品は必要ありません。つまり、バッテリーは、電気自動車、電子機器、さらにはグリッドスケールの電力貯蔵用の既存の設備や従来のバッテリーパックの設計に簡単に適合させることができます。

新しいリチウム酸素電池は、従来のリチウムイオン電池の陰極よりもはるかに軽い陰極を備えています。これは、このバッテリーが特定のカソード重量に対して2倍ものエネルギーを蓄えることができることを意味します。デザインをさらに改良することで、実際にバッテリーの容量を2倍にすることができます。

リチウム酸素電池はどのように機能しますか？

従来のリチウム酸素電池は、放電サイクル中にリチウムイオンとの化学反応を促進するために外気から酸素を引き込みます。この酸素は、充電サイクルの逆反応中に再び大気に放出されます。放電中またはバッテリーが別のデバイスに電力を供給しているとき、大気から引き出された酸素がリチウムイオンと結合して、カソード上に過酸化リチウム結晶を形成し、エネルギーを放出します。この化学反応は、多くの場合、カソードを腐食させてバッテリーの寿命を縮める可能性のある他の副産物をもたらします。バッテリーが充電されると、過酸化リチウムが分解され、リチウムと酸素が最初の形に戻ります。

新しいリチウム酸素電池では、充電と放電の間にリチウムと酸素の間で同じ種類の電気化学反応が起こります。ただし、放電中にリチウムイオンは酸素と結合して酸化リチウムを形成します。化学反応は、不要な副産物を発生させることなくエネルギーを放出します。新しいバッテリーでは、酸素はガス状に戻されません。代わりに、それは固体の中にとどまります。これにより、電圧損失を1.2ボルトから0.24ボルトに5分の1に減らすことができるため、電気エネルギーのごく一部だけが熱に変換されます。その結果、バッテリーはより多くのエネルギーを供給でき、さらに長持ちします。

従来のリチウム酸素電池では、充電と放電の間に起こる化学反応により、酸素が気体と固体の間で変換されます。これにより、材料はバッテリーの電気伝導経路に損傷を与える大きな体積変化を経験し、これらはその寿命を大幅に短縮します。

結論

世界中で、より高いエネルギー密度のバッテリーに対する需要が高まっています。あなたは個人としても高密度バッテリーの必要性を経験しました。リチウムイオン電池は、電気機器や電気自動車にさえ電力を供給するためにどこでも使用されていますが、そのエネルギー密度はまだ十分ではありません。新しいリチウム酸素電池は、エネルギー密度が高いため、究極の電池であり、リチウムイオン電池の最良の代替品として宣伝されています。このアプローチはまだ研究室にあり、商品化の分野に移行するまでにさらに時間がかかる可能性があります。それでも、それらは電気自動車や電子機器に良い未来をもたらします。