水中での貯蔵能力の増加

テキサス A&M 大学、テキサス州カレッジステーション

テキサス A&M 大学の研究者らは、金属を含まない水ベースのバッテリー電極の貯蔵容量に 1,000 パーセントの違いがあることを発見しました。

これらのバッテリーは、コバルトを含むリチウムイオンバッテリーとは異なります。 メタルフリー電池を研究するという同グループの目標は、コバルトとリチウムが外部委託されているため、国内のサプライチェーンをより適切に管理できるようにすることに由来している。 このより安全な化学反応により、バッテリー火災も防止されます。

化学工学教授のジョディ・ラトケンハウス博士と化学助教授ダニエル・テイバー博士は、リチウムフリー電池に関する研究結果を「Nature Materials」誌に発表しました。

「水ベースなのでバッテリー火災はもう起こらないでしょう」とルトケンハウス氏は語った。 「将来、材料不足が予想される場合、リチウムイオン電池の価格は大幅に上昇するでしょう。この代替電池があれば、この化学に頼ることができます。ここで製造できるため、供給がはるかに安定します」米国にあり、それを作るための材料はここにあります。」

ルトケンハウス氏は、水系電池はカソード、電解質、アノードで構成されていると述べた。 カソードとアノードはエネルギーを蓄えることができるポリマーであり、電解質は有機塩と混合された水です。 電解質は、電極との相互作用を通じてイオン伝導とエネルギー貯蔵の鍵となります。

「サイクリング中に電極が膨張しすぎると、電子をうまく伝導できなくなり、すべての性能が失われます」と彼女は言う。 「膨張効果のため、電解質の選択に応じて、エネルギー貯蔵容量には1,000パーセントの違いがあると思います。」

彼らの論文によると、酸化還元活性のある非共役ラジカルポリマー（電極）は、そのポリマーの高い放電電圧と速い酸化還元反応速度のため、金属を含まない水性電池の有望な候補である。 電子、イオン、水分子の移動が同時に起こるため、反応は複雑で解決が困難です。

研究者らによると、「我々は、さまざまなタイムスケールで散逸を監視しながら、電気化学水晶微量天秤を使用して、さまざまなカオトロピック/コスモトロピック特性の水性電解質を検査することで、酸化還元反応の性質を実証している」という。

テイバー氏の研究グループは、コンピューターによるシミュレーションと解析によって実験の取り組みを補完しました。 シミュレーションにより、構造とダイナミクスの顕微鏡的な分子スケールの全体像についての洞察が得られました。

「理論と実験は、これらの材料を理解するために密接に連携することがよくあります。この論文で計算的に行っている新しいことの 1 つは、実際に電極を複数の充電状態に充電し、周囲がこの充電にどのように反応するかを確認することです」と Tabor 氏は述べています。言った。

研究者らは、動作中にバッテリーに流入する水と塩の量を正確に測定することで、特定の種類の塩の存在下でバッテリーの正極がより良く機能するかどうかを肉眼で観察しました。

「私たちはシミュレーションを将来のシステムに拡張したいと考えています。この種の水と溶媒の注入を推進する力が何であるかについて、私たちの理論を確認する必要がありました」とテイバー氏は述べた。 「この新しいエネルギー貯蔵技術により、リチウムフリー電池への前進がもたらされます。私たちは、一部の電池電極が他の電極よりも優れた機能を発揮する原因について分子レベルでより正確に把握しており、これにより、材料の分野でどこに進むべきかについての強力な証拠が得られます」デザイン。"

詳細については、Amy Halbert までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。 表示するには JavaScript を有効にする必要があります。 979-458-4243。

この記事は、『Battery & Electrification Technology Magazine』2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

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