水

画像クレジット: テキサス A&M エンジニアリング

E&T編集部より

2023 年 4 月 4 日火曜日に公開

テキサスA&M大学の研究者らは、水ベースの電池がコバルトを含むリチウムイオン電池のより安全で効率的な代替品となる可能性があることを示した。

これらの新しいタイプの電池は、コバルトとリチウムを輸出する国への米国の依存を減らすだけでなく、電池関連の火災も防ぐことができるだろう。

化学工学教授のジョディ・ルトケンハウス博士は、「水をベースにしているため、バッテリー火災はもう起こらないだろう」と述べた。 「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。

「この代替バッテリーがあれば、この化学に頼ることができます。米国で製造でき、そのための材料もここにあるため、供給がはるかに安定しています。」

水ベースの電池は、正極、電解液、および負極で構成されます。 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、電極との相互作用によるイオン伝導とエネルギー貯蔵の鍵であり、研究チームの最近の研究は、材料の選択が重要である可能性があることを示しています。

「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」とルトケンハウス氏は述べた。 「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。」

科学者らは、新しい電池は酸化還元活性のある非共役ラジカルポリマー（電極）から作ることができると述べている。 ただし、電子、イオン、水分子が同時に移動するため、反応を分析するのは困難です。

この方法を実証するために、研究者らは計算シミュレーションと解析で実験を補完しました。

「これらの材料を理解するために、理論と実験が緊密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」と同氏は述べています。化学助教授ダニエル・テイバー博士。

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的に観察した。

成功すれば、水ベースの電池は現在使用されている種類の電池のより安全な代替品となる可能性があります。 別の提案された選択肢は、ゴム製の電池の使用である。

「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」デザインです」とテイバー氏は付け加えた。

ユーノミアが発表した調査結果によると、英国で毎年発生する廃棄物火災の約48％（年間約700件）はリチウムイオン電池が原因で、廃棄物処理業者、消防署、環境に年間約1億5,800万ポンドの費用がかかっている。

同団体の非公式報告書によると、バッテリー火災の年間発生件数はユーノミアの推計の３倍となり、さらに数百件の火災がリサイクル・廃棄物管理施設や収集車両で発生している可能性がある。

2022年7月、ロンドンの高層ビルで大規模な火災が発生し、消防士らは改造さ​​れた電動自転車のリチウム電池に関連した火災の危険性について緊急警告を発した。

この水ベースの電池プロジェクトは、テキサス A&M 工学実験ステーションを通じて米国エネルギー省と国立科学財団から資金提供されています。 実験の結果は、Nature Materials の記事に掲載されました。

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