固体

新しい全固体リチウム電池は、標準的なリチウムイオン電池のほぼ2倍のエネルギーを蓄えるだけでなく、現在の市販品のように発火しにくいという特徴もある。 この斬新なプロトタイプの成功の秘密は何でしょうか? バッテリーの通常の電極の1つを取り除くと、新しい研究が判明した。

従来のバッテリーは、電子がバッテリーから流出する負に帯電したアノードと、電子がバッテリーに流入できる正に帯電したカソードという 2 つの電極間の化学反応を介して電気を供給します。 一般的なリチウムイオン電池の電極は、その構造が帯電したリチウムイオンを貯蔵および放出できる物質でできています。 アノードはグラファイトで構成されることが多く、カソードは金属酸化物であることが非常に多いです。 これらの電極材料は、生成された電流を収集する金属箔上にコーティングされます。アノードの場合、この金属は銅であることが多く、カソードの場合はアルミニウムです。

リチウムイオン電池の電極は通常、液体またはゲルの電解質を介して相互作用します。 全固体電池では代わりにセラミックなどの材料で作られた固体電解質が使用されます。

固体電解質は、液体またはゲル電解質よりもコンパクトです。 これは、全固体電池が、同じ重量または同じスペースで従来の電池よりも多くのエネルギーを生成できることを意味します。 さらに、全固体リチウム電池は、通常引火性のある有機液体電解質を使用する従来の電池よりもはるかに安全です。

安定して有用な全固体電池を作成する最良の方法に関しては、依然として不確実な部分が多くあります。 たとえば、以前の研究では、硫化物ベースの固体電解質が、大量のエネルギーを貯蔵できる電池の作成に役立つ可能性があることがわかっています。 ただし、これらの電解質中の硫化物は両方の電極と反応し、バッテリー内の電気の流れを妨げる化合物を生成する可能性があります。

科学者が全固体電池を改良しようと試みてきた方法の 1 つは、従来の黒鉛負極を銅箔集電体のみに置き換えることです。 この戦略により、バッテリーが保持できるエネルギー量が大幅に増加する可能性があります。 「事実上、バッテリーの内部材料の半分を除去していることになる」と、研究の主著者でテキサス大学オースティン校の材料科学者デイビッド・ミトリン氏は言う。 使用する材料が減ればコストも削減できる、と彼は付け加えた。

しかし、アノードフリーの全固体電池の研究が直面している重要な課題は、安定した方法で放電と再充電のサイクルを繰り返すという問題です。 今回、新しい研究で研究者らは、新しいコーティングがこの問題を克服する可能性があることを示した。

科学者たちは、硫化物ベースの固体電解質を使用した、負極のない全固体電池を実験しました。 彼らは、銅集電体を極薄のリチウム活性テルルでコーティングすることを検討しました。 目的は、リチウム金属が銅全体に広がる、つまり銅を「濡らす」方法を制御することでした。 彼らは、この新しいコーティングがリチウム金属の堆積と銅集電体からの薄い均一な層への溶解を促進することを発見しました。

この新しいコーティングがないと、充電および放電中に銅箔が不規則な微細構造で覆われることを研究者らは発見しました。 これらには、「アノードとカソードの間でバッテリーの短絡を引き起こす可能性があり、将来的にバッテリーの火災を引き起こす可能性がある」とげのある樹状突起が含まれているとミトリン氏は言う。 それらには、バッテリーの性能を妨げる「死んだ金属」の塊や蜂の巣のような物質の塊も含まれています。 「エンジンの内側が厚い錆の層で覆われているようなものです」と彼は言う。

新しいバッテリーは、市販のリチウムイオンバッテリーよりも重量で72パーセント、体積で95パーセント多くのエネルギーを保持できます。 研究者らは、標準的な製造技術を使用して、これらの銅集電体上に新しいコーティングを生成できると指摘しています。 これにより、これらの新しい電池の生産規模を簡単に拡大できる可能性がある、と彼らは付け加えた。

「これらの発見は、アノードフリーの全固体電池の大規模な商業化に重要なミッシングリンクを提供する可能性がある」とミトリン氏は言う。

それでも、この研究は、負極のない全固体リチウム電池に関する重大な問題の1つを解決する可能性があるが、実際に市場に投入するには多大な開発が必要であるとミトリン氏は警告する。 「負極のない全固体リチウム電池を実験室規模からプロトタイプ規模、ましてや自動車規模まで普及させるには、まだ膨大な量の作業が必要です」と彼は言う。

科学者らは、その研究結果の詳細を、2 月 23 日にオンライン誌「Advanced Materials」に掲載しました。