リチウムの新設計

新しい電池はいつか自動車、飛行機、トラックに電力を供給できるようになる

DOE/アルゴンヌ国立研究所

画像: 概略図は、リチウム金属アノード、空気ベースのカソード、および固体セラミックポリマー電解質 (CPE) で構成されるリチウム空気電池セルを示しています。 放電と充電では、リチウムイオン (Li+) がアノードからカソードに移動し、その後再び戻ります。もっと見る

クレジット: (画像提供: アルゴンヌ国立研究所)

電気自動車の所有者の多くは、1 回の充電で 1,000 マイル以上走行できるバッテリー パックを望んでいます。 イリノイ工科大学 (IIT) と米国エネルギー省 (DOE) のアルゴンヌ国立研究所の研究者たちは、その夢を現実にする可能性のあるリチウム空気電池を開発しました。 チームの新しいバッテリー設計は、いつか国内の飛行機や長距離トラックに電力を供給する可能性もある。

このリチウム空気電池の主な新コンポーネントは、通常の液体電解質ではなく固体電解質です。 固体電解質を使用したバッテリーは、過熱して発火する可能性があるリチウムイオンやその他の種類のバッテリーで使用される液体電解質の安全性の問題の影響を受けません。

「リチウム空気電池は、リチウムイオンを超える次世代電池として検討されている電池技術の中で最も高い予測エネルギー密度を持っています。」 — ラリー・カーティス、アルゴンヌ特別フェロー

さらに重要なのは、チームの固体電解質を使用したバッテリーの化学反応により、エネルギー密度がバッテリー＞リチウムイオンバッテリーの 4 倍も向上する可能性があり、これにより航続距離が長くなります。

「10年以上にわたり、アルゴンヌなどの科学者たちは、空気中の酸素を利用するリチウム電池の開発に残業を続けてきた」とアルゴンヌ特別研究員のラリー・カーチス氏は語る。 ,war「リチウム空気電池は、リチウムイオンを超える次世代電池として検討されている電池技術の中で最も高い予測エネルギー密度を持っています。」

過去のリチウム空気設計では、リチウム金属アノード内のリチウムは、放電中に液体電解質中を移動して酸素と結合し、カソードで過酸化リチウム (Li2O2) または超酸化リチウム (LiO2) を生成します。 過酸化リチウムまたは超酸化リチウムは、充電中にリチウムと酸素の成分に分解されます。 この化学シーケンスは、必要に応じてエネルギーを貯蔵および放出します。

研究チームの新しい固体電解質は、ナノ粒子状の比較的安価な元素から作られたセラミックポリマー材料で構成されています。 この新しい固体により、放電時に酸化リチウム (Li2O) を生成する化学反応が可能になります。

「超酸化リチウムまたは過酸化リチウムの化学反応には酸素分子あたり 1 つまたは 2 つの電子しか関与しませんが、酸化リチウムの化学反応には 4 つの電子が関与します」とアルゴンヌの化学者ラシッド・アミン氏は述べています。 より多くの電子が蓄積されるということは、より高いエネルギー密度を意味します。

同チームのリチウム空気設計は、室温で四電子反応を達成した最初のリチウム空気電池である。 また、周囲環境から空気によって供給される酸素でも動作します。 空気で動作する機能により、以前の設計で問題となっていた酸素タンクの動作の必要性がなくなりました。

研究チームは、4電子反応が実際に起こっていることを証明するために、さまざまな技術を採用した。 重要な技術の 1 つは、カソード表面の放電生成物の透過型電子顕微鏡 (TEM) で、DOE 科学局のユーザー施設であるアルゴンヌのナノスケール材料センターで実施されました。 TEM 画像は、4 電子放出メカニズムについての貴重な洞察を提供しました。

過去のリチウム空気テストセルはサイクル寿命が非常に短いという問題がありました。 研究チームは、テストセルを構築して 1000 サイクル動作させ、充電と放電を繰り返しても安定性を実証することで、この欠点が新しいバッテリー設計には当てはまらないことを確認しました。

「さらなる開発により、私たちの新しい設計のリチウム空気電池も、1キログラムあたり1200ワット時という記録的なエネルギー密度に達すると予想しています」とカーチス氏は語った。 ,war「これは、リチウムイオン電池よりもほぼ4倍優れています。」