新しいプライミング方法によりバッテリー寿命と効率が向上

シリコン負極バッテリーには、エネルギー貯蔵能力に革命をもたらす可能性があり、これは気候変動目標を達成し、電気自動車の可能性を最大限に引き出すための鍵となります。

しかし、シリコンアノード内のリチウムイオンが不可逆的に減少することが、次世代リチウムイオン電池の開発に大きな制約となっています。

ライス大学ジョージ・R・ブラウン工学部の科学者らは、安定化されたリチウム金属粒子（SLMP）でシリコン陽極をコーティングすることでリチウム損失を軽減し、電池の寿命サイクルを改善するプロセスであるプレリチウム化を最適化する、容易に拡張可能な方法を開発した。

化学・生体分子エンジニアのシバーニ・リサ・ビスワル氏のライス研究室は、粒子と界面活性剤の混合物でアノードをスプレーコーティングすると、電池寿命が22％から44％向上することを発見した。 より多くの量のコーティングを備えたバッテリーセルは、最初により高い安定性とサイクル寿命を達成しました。 ただし、欠点がありました。フル容量でサイクルした場合、粒子コーティングの量が増えるとリチウムの捕捉が増加し、その後のサイクルでバッテリーの劣化が早くなります。この研究は ACS Applied Energy Materials に掲載されています。

リチウムイオン電池のグラファイトをシリコンに置き換えると、炭素でできているグラファイトはシリコンよりも少ない量のリチウムイオンを詰めることができるため、エネルギー密度（重量とサイズに比べて蓄えられるエネルギーの量）が大幅に向上します。 リチウムイオン1個につき炭素原子が6個必要ですが、ケイ素原子1個だけで最大4個のリチウムイオンと結合できます。

「シリコンは、リチウムイオン電池のアノード側のエネルギー密度を実際に向上させる能力を備えた材料の1つです」とビスワル氏は述べた。 「それが、現在電池科学においてグラファイト負極をシリコン負極に置き換えようとする動きがある理由です。」

ただし、シリコンには課題を引き起こす他の特性もあります。

「シリコンの大きな問題の一つは、実際にリチウムを消費する固体電解質界面層またはSEI層と呼ばれるものを継続的に形成していることだ」とビスワル氏は述べた。

この層は、バッテリーセル内の電解質が電子およびリチウムイオンと反応するときに形成され、その結果、アノード上にナノメートルスケールの塩の層が堆積します。 層が形成されると、電解質がアノードから絶縁され、反応の継続が妨げられます。 ただし、SEI はその後の充電と放電のサイクル全体を通じて破損する可能性があり、再形成するにつれて、バッテリーのリチウム埋蔵量が不可逆的にさらに消耗します。

「シリコン陽極の体積は電池のサイクル動作に応じて変化し、それによりSEIが破壊されたり、不安定になったりする可能性がある」と化学・生体分子工学の博士号取得者であり、この研究の筆頭著者であるクアン・グエン氏は述べた。 「私たちは、この層がバッテリーのその後の充電と放電サイクルを通じて安定した状態を維持することを望んでいます。」

Biswal 氏と彼女のチームが開発したプレリチウム化法は、SEI 層の安定性を向上させます。つまり、形成時に消耗するリチウム イオンが少なくなります。

「プレリチウム化は、シリコンで通常発生するリチウムの損失を補うことを目的とした戦略です」とビスワル氏は述べた。 「これは、壁をペイントするときに、塗料を確実に定着させるために最初に下塗りを施す必要があるときのように、表面の下塗りの観点から考えることができます。プレリチウム化により、電池が良好な状態を保つことができるように、アノードに「下塗り」を行うことができます。より安定し、サイクル寿命が長くなります。」

これらの粒子とプレリチウム化は新しいものではありませんが、ビスワル研究所は既存の電池製造プロセスに容易に組み込める方法でプロセスを改善することができました。

「クアン氏が開発した間違いなく新しいプロセスの1つの側面は、粒子の分散を助けるために界面活性剤を使用したことだ」とビスワル氏は語った。 「これはこれまで報告されておらず、これによって均一な分散が可能になります。したがって、電池内の異なるポケットに塊になったり蓄積したりする代わりに、均一に分散させることができます。」

Nguyen 氏は、界面活性剤を使用せずに粒子を溶媒と混合すると均一なコーティングが得られないと説明しました。 さらに、スプレーコーティングは、アノード上に塗布する他の方法よりも均一な分布を達成するのに優れていることが証明されました。

「スプレーコーティング法は大規模製造に適合します」とグエン氏は語った。セルのサイクル容量を制御することはプロセスにとって極めて重要である。

「セルをサイクルさせる容量を制御しないと、粒子の量が増えると、私たちが発見し論文で説明したこのリチウム捕捉メカニズムが引き起こされるでしょう」とグエン氏は述べた。 「しかし、コーティングを均一に分布させてセルをサイクルさせれば、リチウムの捕捉は起こりません。

「サイクリング戦略とSLMP量を最適化することでリチウムのトラップを回避する方法を見つけられれば、シリコンベースのアノードのより高いエネルギー密度をより有効に活用できるようになるでしょう。」

ビスワル氏は、ライス大学のウィリアム・M・マッカーデル化学工学教授であり、材料科学およびナノエンジニアリングの教授であり、学部開発副学部長でもある。この研究は、フォード・モーター社の大学研究プログラム、国立科学財団（1842494、CBET）によって支援された。 -1626418) とライスの共有機器局。

安定化されたリチウム金属粒子を使用した全セルリチウムイオン電池のシリコンベースアノードの強化におけるプレリチウム化効果 | 文献情報 | J-GLOBAL 科学技術総合リンクセンター ACS 応用エネルギー材料 | DOI: 10.1021/acsaem.3c00713 著者: Quan Anh Nguyen、Anulekha K. Haridas、Tanguy Terlier、Sibani Lisa Biswalhttps://doi.org/10.1021/acsaem.3c00713

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0765_1_LG.jpg 写真説明: クアン・グエン氏（左）、シバーニ・リサ・ビスワル氏と共同研究者は、リチウムイオン電池の性能向上に役立つプレリチウム化技術を開発したシリコン陽極付き。 (写真提供: Jeff Fitlow/ライス大学)https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0695_2_LG.jpg キャプション: クアン・グエン氏は化学および生体分子工学の博士号卒業生であり、この研究の主著者である。 (写真提供: Jeff Fitlow/ライス大学)https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0724_3_LG.jpg 写真説明: クアン・グエン氏（左）とシバーニ・リサ・ビスワル氏。 (写真提供: Jeff Fitlow/ライス大学)https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/JWF_0752_4_LG.jpg 写真説明: 研究で説明されているプレリチウム化プロトコルを使用して組み立てられた電池の 1 つを保持するクアン グエンさん。 (写真提供: Jeff Fitlow/ライス大学)

NSF、危険な溶媒の使用を減らすためのナノ流体を考案するビスワルを支援:https://chbe.rice.edu/news/nsf-backs-biswal-devise-nanofluids-reducing-use-dangerous-solvents 粒界は流れに沿って進む:https ://news.rice.edu/news/2022/gran-boundaries-go-flow 電極上に薄膜をブラシで塗ると電池が長持ちします:https://news.rice.edu/news/2022/brushing-thin-films-electrodes-保存電池

ビスワル研究グループ:https://www.ruf.rice.edu/~biswalab/Biswal_Research_Group/Welcome.html

化学および生体分子工学: https://chbe.rice.edu

ジョージ R. ブラウン工学部: https://engineering.rice.edu

ヒューストンの 300 エーカーの森林に覆われたキャンパスに位置するライス大学は、US News & World Report によって常に全米トップ 20 の大学にランクされています。 ライス大学は、建築、ビジネス、継続研究、工学、人文科学、音楽、自然科学、社会科学の学校で高く評価されており、ベイカー公共政策研究所の本拠地でもあります。 ライス大学には学部生が 4,552 人、大学院生が 3,998 人おり、学部生と教員の比率は 6 対 1 弱です。 その全寮制カレッジ システムは、緊密なコミュニティと生涯にわたる友情を築きます。これが、ライス大学がプリンストン レビューで人種や階級の交流の多さで第 1 位、生活の質で第 4 位にランクされている理由の 1 つです。 ライス大学は、キプリンガーのパーソナル・ファイナンスでも私立大学の中で最高の価値があると評価されています。