スーパーオキシドからリチウムが得られる

DOE/アルゴンヌ国立研究所

画像: LiO2 と Ir3Li の間の格子整合は、Ir-rGO 正極材料で見られる LiO2 放電生成物の原因である可能性があります。もっと見る

クレジット: アルゴンヌ/ラリー・カーティス

リチウムイオン電池は私たちの日常生活を一変させましたが、研究者たちは現在、さらに優れたエネルギーの可能性をもたらす新しい化学を見つけようとしています。 これらの化学反応の 1 つであるリチウム空気は、エネルギー密度の向上が期待できますが、いくつかの欠点もあります。

現在、米国エネルギー省 (DOE) のアルゴンヌ国立研究所での研究のおかげで、これらの欠点の 1 つは克服された可能性があります。

リチウム空気電池に関するこれまでのすべての研究では、電極の細孔を詰まらせる固体の沈殿物である過酸化リチウム (Li2O2) の形成という同じ現象が示されていました。

しかし、最近の実験では、アルゴンヌの電池科学者 Jun Lu、Larry Curtiss、Khalil Amine とアメリカと韓国の共同研究者が、電池の放電中に過酸化リチウムの代わりに安定した結晶化超酸化リチウム ((LiO2)) を生成することができました。過酸化リチウムとは異なり、超酸化リチウムはリチウムと酸素に容易に解離するため、高効率と良好なサイクル寿命が得られます。

「この発見は、新しい種類の電池の開発の可能性への道を本当に開きます」とカーチス氏は語った。 「さらに多くの研究が必要ですが、バッテリーのサイクル寿命は私たちが探していたものです。」

超酸化リチウムをベースにした電池の主な利点は、少なくとも理論的には、化学者が「閉鎖系」と呼ぶもので構成されるリチウム空気電池の作成が可能になることだとカーチス氏とアミン氏は説明した。 開放システムでは環境から追加の酸素を継続的に摂取する必要がありますが、閉鎖システムではその必要がないため、より安全で効率的になります。

「超酸化物相の安定化は、リチウムイオンの実に5倍のエネルギー密度を提供する可能性のある、超酸化リチウムをベースとした新しい密閉型電池システムの開発につながる可能性がある」とアミン氏は述べた。

カーチス氏とルー氏は、超酸化リチウムの成長は実験で使用した電極内のイリジウム原子の間隔に起因すると考えた。 「イリジウムはスーパーオキシドの成長の良いテンプレートとして機能するようです」とカーチス氏は語った。

「しかし、これは単なる中間段階です」とルー氏は付け加えた。 「リチウム空気電池に何が関係しているのかを正確に理解するには、触媒の設計方法を学ばなければなりません。」

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研究者らは、アルゴンヌにあるDOE科学局ユーザー施設であるAdvanced Photon Sourceが提供するX線回折を使用して、過酸化リチウムが存在しないことを確認した。 彼らはまた、DOE 科学局のユーザー施設でもある Argonne Leadership Computing Facility の Mira スーパーコンピューターを使用する時間の割り当ても受け取りました。 研究者らは、DOE科学局のユーザー施設でもあるアルゴンヌのナノスケール材料センターでも研究の一部を実施した。

この研究に基づく研究結果は、『Nature』誌1月11日号に掲載された。

この研究は、DOE のエネルギー効率・再生可能エネルギー局と科学局から資金提供を受けました。

アルゴンヌ国立研究所は、科学技術における差し迫った国家的問題の解決策を模索しています。 国内初の国立研究所であるアルゴンヌは、事実上あらゆる科学分野で最先端の基礎および応用科学研究を実施しています。 アルゴンヌの研究者は、何百もの企業、大学、連邦、州、地方自治体の機関の研究者と緊密に連携して、特定の問題を解決し、アメリカの科学的リーダーシップを前進させ、国家をより良い未来に備えるための支援を行っています。 60 か国以上からの従業員がいる Argonne は、米国エネルギー省科学局の UChicago Argonne, LLC によって管理されています。

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