新しい負極材料はより安全な高速化につながる可能性がある

カリフォルニア大学サンディエゴ校の科学者は、リチウムイオン電池を数分以内に数千サイクル安全に再充電できる新しい負極材料を発見しました。 無秩序な岩塩として知られるこの新しいアノードは、地球に豊富に含まれるリチウム、バナジウム、酸素原子で構成されており、通常の食卓塩と同様の方法でランダムに配置されています。 電気自動車、掃除機、ドリルなど、高エネルギー密度と高出力の両方が求められる商業用途に有望です。

この研究は、Ping Liu教授とSyue Ping Ong教授の研究室のナノエンジニアが共同で主導し、9月2日にNature誌に掲載された。

現在、携帯電話、ラップトップ、電気自動車などの製品に電力を供給するほとんどの市販のリチウムイオン電池では、2 つの材料が陽極として使用されています。 最も一般的なグラファイト アノードは、非常にエネルギー密度が高く、グラファイト アノードを備えたリチウム イオン バッテリーは、再充電することなく数百マイルにわたって車に電力を供給できます。 ただし、グラファイトアノードを急速に再充電すると、リチウム金属メッキと呼ばれるプロセスにより火災や爆発が発生する可能性があります。 より安全な代替品であるチタン酸リチウムアノードは急速に再充電できますが、エネルギー密度が大幅に低下するため、バッテリーをより頻繁に再充電する必要があります。

この新しい無秩序岩塩アノード - Li3V2O5 - は重要な中間点に位置します。グラファイトよりも安全に使用でき、しかもチタン酸リチウムより少なくとも 71% 高いエネルギーを備えたバッテリーを提供します。

「容量とエネルギーはグラファイトより少し低いですが、グラファイトの方が速く、安全で、寿命が長いです。電圧がはるかに低いため、現在市販されている急速充電用チタン酸リチウム負極よりもエネルギー密度が大幅に向上しています」とハオドン氏は述べた。 Liu 氏は、Ping Liu 教授の研究室の博士研究員であり、この論文の筆頭著者です。 「したがって、この材料を使用すると、エネルギー密度をあまり犠牲にすることなく、長寿命で急速充電が可能で安全なバッテリーを作ることができます。」

無秩序な岩塩 -Li3V2O5 の結晶構造。 赤いボールは O を表し、青い四面体は四面体サイトの Li を表し、緑の八面体は Li/V 共有八面体サイトを表します。

研究者らは、この発見を商業化するために Tyfast という会社を設立しました。 Li3V2O5無秩序岩塩の特性により、再充電を簡単にスケジュールできるデバイスでの使用に理想的であるため、このスタートアップの最初の市場は電気バスと電動工具になるだろう。

リュー教授の研究室の研究者らは、このリチウムバナジウム酸化物負極材料の開発を継続すると同時に、他の電池コンポーネントを最適化して商業的に実行可能なフルセルを開発する計画を立てている。

「長い間、電池コミュニティは、安全で高速充電のリチウムイオン電池を可能にするために、グラファイトよりもわずかに高い電位で動作する負極材料を探してきました。この材料は、重要な知識と応用のギャップを埋めるものです。」と Ping Liu 氏は述べています。 「この材料は今日のリチウムイオン電池製造プロセスのドロップインソリューションとなり得るため、私たちはその商業的可能性に興奮しています。」

なぜこの素材を試してみるのでしょうか？

研究者らは6年前、バッテリーの正極として無秩序な岩塩を初めて実験した。 それ以来、この材料を効率的な正極に変えるために多くの研究が行われてきました。 Haodong Liu 氏は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームは、予感に基づいてこの材料を陽極としてテストすることにしたと述べた。

「人々がそれを陰極として使用する場合、材料を1.5ボルトまで放電しなければなりません」と彼は言いました。 「しかし、1.5ボルトでの正極材料の構造を見たとき、この材料はより多くのリチウムイオンを収容できる特別な構造をしているのではないかと考えました。つまり、さらに低い電圧でも負極として機能することができるのです。」

研究チームは、無秩序な岩塩アノードがグラファイトの0.1Vよりも高い0.6Vの平均電圧で2つのリチウムイオンを可逆的にサイクルさせることができ、高い充電率でのリチウム金属メッキを排除し、バッテリーをより安全にすることを発見した。チタン酸リチウムがリチウムを挿入する 1.5 V よりも低いため、より多くのエネルギーが蓄えられます。

研究者らは、Li3V2O5 アノードが容量低下を無視して 6,000 サイクル以上繰り返し使用でき、エネルギーを急速に充放電でき、20 秒で容量の 40% 以上を供給できることを示しました。 低電圧と高いエネルギー伝達率は、エネルギー障壁が低い独自の再分配リチウムインターカレーションメカニズムによるものです。

Shyue Ping Ong 教授のマテリアルズ バーチャル ラボの博士研究員 Zhuoying Zhu 氏は、なぜ無秩序な岩塩 Li3V2O5 アノードが同様に機能するのかを理解するために理論計算を実行しました。

「Li3V2O5が他の電極材料とは異なる充電メカニズムを介して動作することを発見しました。リチウムイオンは、低電圧と高速リチウム拡散の両方をもたらす方法で再配列します」とZhuoying Zhu氏は述べました。

「私たちは、同様のメカニズムで動作する他の電極材料が発見を待っていると信じています」とオング氏は付け加えた。

Zoom 通話の対応著者および最初の著者。 左上から時計回りに：Ping Liu教授、Syue Ping Ong教授、Haodong Liu教授、Jun Lu、Huolin Xin教授、Zhuoying Zhu。

カリフォルニア大学サンディエゴ校での実験研究は、カリフォルニア大学サンディエゴ校スタートアップ基金から Ping Liu への賞によって資金提供され、理論研究はエネルギー省と国立科学財団のデータ インフラストラクチャ ビルディング ブロック (DIBBS) 局所分光データ インフラストラクチャ プログラムから資金提供されました。 、および Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) の下で提供されるサンディエゴ スーパーコンピューター センターのリソースを使用しました。

研究チームはまた、中性子回折を使用して Li3V2O5 材料の原子構造を決定したオークリッジ国立研究所の研究者とも協力しました。 カリフォルニア大学アーバイン校とブルックヘブン国立研究所のフオリン・シン教授率いる研究者らは、リチウム挿入後の構造変化を解明するために高解像度の顕微鏡研究を実施した。 最後に、Jun Lu 氏率いるアルゴンヌ国立研究所とローレンス・バークレー国立研究所のチームは、X 線回折と X 線吸収の研究を実施し、（脱）リチウム化中の材料の結晶構造変化と電荷補償メカニズムを明らかにしました。 この研究では、ビームライン VULCAN (オークリッジ国立研究所の核破砕中性子源)、ビームライン 17-BM (アルゴンヌ国立研究所の高度光子源)、ビームライン 5.3.1 (ローレンス バークレー国立研究所の高度光源) を含む国立研究所施設を使用しました。

論文タイトル: 「急速充電リチウムイオン電池用の無秩序な岩塩アノード」 共著者: Haodong Liu、Zhuoying Zhu、Qizhang Yan、Sicen Yu、Yiming Chen、Yejing Li、Xing Xing、Yoonjung Choi、Syue Ping Ong が含まれますUCサンディエゴのPing Liu氏、ローレンス・バークレー国立研究所のXin He氏、Jun Feng氏、Robert Kostecki氏、オークリッジ国立研究所のYan Chen氏、Ke An氏、カリフォルニア大学Rui Zhang氏、Huolin L. Xin氏、ブルックヘブン国立研究所氏、 Tongchao Liu、Matthew Li、Khalil Amine、Tianpin Wu、Jun Lu、アルゴンヌ国立研究所、Lucy Gao、デル ノルテ高校、Helen Sung-yun Cho、Canyon Crest Academy。

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