リチウム空気電池-操作、比較、ブレークスルー

リチウム空気電池はどのように機能しますか？

Li-Airセルは、正極に酸素分子（O2）が存在するために電圧を生成します。 O2は正に帯電したリチウムイオンと反応して過酸化リチウム（Li2O2）を形成し、電気を生成します。これ以上Li2O2を形成できない場合は、電極から電子が除去され、このバッテリーは空になります（放電されます）。

ただし、Li2O2は非常に悪い電子伝導体です。 Li2O2堆積物が、反応のための電子を提供する電極の表面に成長すると、それは減衰し、最終的には反応を排除し、したがってバッテリーの充電を排除します。この問題は、反応生成物（この場合は過酸化リチウム）が電極の近くに保存されているが、電極を覆っていない場合に克服できます。

ケンブリッジの研究者は、まさにそれを行うレシピを発見しました。標準の電解混合物を使用し、添加剤としてヨウ化リチウム（LI）を追加します。チームの実験には、大きな細孔で満たされたグラフェンの多くの薄い層からなるスポンジ状およびスポンジ状の電極も含まれています。

最後になりましたが、重要な成分は非常に少量の水（H2O）です。この化学物質の組み合わせの助けを借りて、バッテリー放電反応はLi2O2を生成せず、その結果、電極の導電性表面が増加する可能性があります（下の図、左側を参照）。代わりに、水（H2O）から除去されて水酸化リチウム結晶（LiOH）を形成した水素が含まれています。

これらの結晶は、スポンジ状の炭素電極の多孔質寸法を満たしますが、特に供給電圧を生成する炭素の重要な表面（右側）を覆ったりブロックしたりしません。したがって、「促進剤」としてのヨウ化リチウム（正確な機能はまだ明らかではありませんが）とプロセスの共反応物としての水が存在すると、リチウム空気電池の容量が増加します。

リチウム空気電池とリチウムイオン電池の違いは何ですか？

Li-air技術は、成熟したリチウムイオン電池の技術的限界により、非常に人気のある分野になっています。 1回の充電で300マイルを超えることができる電気自動車などの高エネルギー密度アプリケーションを実現するために、リチウム空気などの高度な技術に取り組んできました。 1996年にJESの記事「電解質に基づく充電式リチウム/酸素電池」で非水系リチウム空気電池に関する最初の記事を発表したアブラハムは、過去10年間でこの驚異的な変化を見てきました。リチウム空気電池は、アノードに存在するリチウム空気からの酸素を結合します。この混合物は、放電段階で過酸化リチウムを生成し、充電段階でリチウムと酸素の成分を分解します。リチウム空気電池には、今日の電話、ラップトップ、電気自動車に電力を供給する同じリチウムイオン電池の最大5倍のエネルギーが含まれていると考えられています。しかし、「リチウム空気」の最初のアイデアはしばしば失敗しました。リチウムイオンが空気中の二酸化炭素や水蒸気と結合すると、その結果、カソードを取り囲む副産物が生じることがよくあります。

蓄積を防ぎ、バッテリーが自然環境で機能できるようにするために、UICとArgonneの研究者は、リチウムアノードを炭酸リチウムの薄層でコーティングしました。コーティングにより、アノードへのリチウムイオンが電解質に浸透し、不要な化合物がアノードに到達するのを防ぎます。

実験的なリチウム空気電池プロジェクトでは、酸素は海綿状の炭素ベースの雪構造を通って電解質に入ります。

Salehi-Khojinらは、格子構造を二硫化モリブデン触媒でコーティングしました。イオン液体とバッテリー電解質の一般的な成分であるジメチルスルホキシドからなる独自のハイブリッド電解質は、リチウム-酸素反応を促進し、他の空気要素とのリチウム反応を減らし、バッテリー効率を高めました。

充電率はいくらですか？

このときの充電速度はリチウムイオン電池と同じです。それはより多くの研究で増加する可能性があります。

あなたの新しいデザインはどのようにリチウムイオン電池に電力を供給しますか？

Liと酸素の間の化学結合を使用することにより、LiとLiイオン電池で使用される金属酸化物層との間のインターカレーション相互作用よりも結合が密であるため、電池ははるかに多くのエネルギーを蓄えることができます。

可燃性または爆発の可能性は何ですか（パンク、過熱、過充電などの場合）？

公開されているLi-Airバッテリーの一部はリチウムアノードです。爆発が発生する可能性があることが知られています。多くの科学者がリチウムアノードの安全性の問題に取り組んでおり、それをより安全にするために多大な努力を払う可能性があります。ただし、Liアノードの表面は電気絶縁体で保護しますが、アノードとカソード間のバッテリーの短絡による爆発を防ぐためにイオン伝導性材料で保護していることに注意してください。これにより、バッテリーの過熱も防止されます。

予想される故障モードは何ですか？

これは、スケールアップ中に調査されます。

リチウム空気電池技術の飛躍的進歩

この論文の共著者であるKMAbrahamによると、マンガンによる酸素還元反応の触媒作用を可能にし、コバルトは電池の充電反応を触媒します。

「これは、これらの混合金属酸化物の機能を組み合わせた材料でリチウム空気電池の触媒作用を最適化するための同様の材料を開発するための将来の研究の機会を提供します」とアブラハムは言います。

遷移金属酸化物はリチウムイオン電池のカソードとしても出現しているため、この新しい開発により、2つの充電式電池を持続可能な方法で使用できる将来のアプリケーションの機会が開かれる可能性があるとAbrahamは考えています。

「これらの触媒材料はリチウムイオン電池のカソード用にも開発されているため、これはリチウムイオン電池の電極を別の目的に使用する方法になる可能性があります。リチウムイオン電池の触媒として使用することです」とAbraham氏は言います。 「Li-Airは現在徹底的な研究が行われていますが、実践する前に克服しなければならない障害がまだあります」とアブラハムは言います。 「近い将来、特殊用途への利用は限定されると思いますが、技術が十分に活用されるまでには少し時間がかかります。」しかし、根本的な開発は技術の進歩に貢献し、それを広範なアプリケーションの究極の目標にもたらします。 「リチウムイオンは成熟しており、今でははるかに高いエネルギー密度のバッテリーが必要です」とアブラハムは言います。 「これは、リチウム空気の可能性に向けたもう1つのステップです。」