新しいタイプの鉛ベースの負極が次世代のリチウム電池に使用される

リチウムイオン電池は、スマートフォンからラップトップ、電気自動車に至るまで、あらゆるデバイスに電力を供給します。世界中の科学者は、これらの用途やその他の用途向けに、より優れたバッテリーを製造するために、新しく改良されたコンポーネントを探してきました。

米国エネルギー省（DOE）のアルゴンヌ国立研究所の科学者らは、鉛や炭素などの低コスト材料を使用してリチウムイオン電池用に設計された新しい電極を報告した。この重要な発見の貢献者には、ノースウェスタン大学、ブルックヘブン国立研究所、蔚山科学技術院 (UNIST) の科学者も含まれています。

アルゴンヌ大学化学科学工学 (CSE) の主任著者兼材料科学者である Eungje Lee 氏は、「私たちの研究は、ハイブリッドに電力を供給できる低コスト、高性能、持続可能なリチウムイオン電池の設計に興味深い意味を持っています」と述べています。そしてすべての電気自動車。」

リチウムイオン電池の動作原理は、充電中にリチウムイオンをアノードに挿入し、放電中にリチウムイオンを除去することです。現在のグラファイトアノードは、このような充放電サイクルを何千回も繰り返すことができますが、エネルギー貯蔵容量の点で限界に達しているようです。

李氏は、「負極材料として黒鉛の代替として鉛を研究することにした。鉛は特に安価で安価な点で魅力的である。また、鉛蓄電池は自動車の補助電源として長い歴史があるため、完全なサプライチェーンを持ち、米国では現在、鉛の回収率が 99% である、世界で最もリサイクルされた材料の 1 つです。」

リー氏はさらに、「当社の新しい負極は、現在鉛蓄電池の製造とリサイクルに携わっている大規模産業に新たな収入源を提供できる」と付け加えた。

研究チームのアノードは通常の鉛板ではなく、複雑な構造を持つ無数の微細な粒子です。鉛のナノ粒子が炭素マトリックスに埋め込まれ、酸化鉛の薄いシェルで囲まれています。この構造は複雑に思えますが、チームはシンプルで低コストの製造方法を発明しました。

「私たちの方法では、大きな酸化鉛粒子を炭素粉末と混合し、目的のコアシェル構造を持つ微細な粒子が形成されるまで数時間振動させる必要があります」とプロジェクトの主任研究者であり、CSE、アルゴンヌの優れた研究者であるクリストファー・ジョンソン氏は説明した。

実験室用電池で100回以上の充放電サイクルを行ったテストでは、新しい鉛ベースのナノコンポジットアノードのエネルギー貯蔵容量が現行のグラファイトアノード（同じ重量で標準化）の2倍であることが示されました。粒子サイズが小さいと応力が軽減され、カーボンマトリックスが必要な導電性を提供し、サイクリングプロセス中の体積膨張による損傷を防ぐ緩衝材として機能するため、サイクリングプロセス中の安定したパフォーマンスが可能です。研究チームはまた、標準電解液に少量のフルオロエチルカーボネートを添加すると、性能が大幅に向上することも発見しました。

研究者らは、シカゴ大学（アルゴナ）が運営するGeoSoilEnviro先進放射線源センター（GSECARS）、DOE科学ユーザー施設事務所で、アノードの充電と放電のメカニズムを研究した。シンクロトロン X 線回折を通じて、充電および放電中の負極材料の相転移を追跡することができます。これらの特性評価結果は、ノースウェスタン大学の原子・ナノスケール特性評価センターおよびブルックヘブンにあるエネルギー省ユーザー施設国立シンクロトロン光源 II によって収集された結果と組み合わせることで、充電および放電中に鉛イオンとリチウムイオンの間で起こる電気化学反応を明らかにしました。以前は知られていなかった。

Lee氏は、「この基本的な洞察は、鉛とシリコンのアノード間の反応機構を理解する上で重要かもしれない」と述べた。

シリコン負極も、次世代リチウムイオン電池の低コストで高性能な選択肢です。

ジョンソン氏は、「我々の発見は、この電極材料に対する現在の理解に疑問を投げかけるものだ」と述べた。私たちの発見はまた、輸送用や送電網のバックアップ電源などの固定エネルギー貯蔵用の低コストで高性能の陽極材料の設計に刺激的な意味をもたらします。 」

このチームの論文は、最近出版された Advanced Functional Materials に掲載されました。