塩の価値：新しい電池の陰極はエネルギーと安全性のために塩を使用
Worth Their Salt: New Battery Anodes Use Salt for Energy, Stability
By Jared Sagoff
Argonne National Laboratory 2021.02.16
新しいリチウム電池成分はより大きな安定性と活性のために塩の形を使う。
岩塩は雪の降る日に自動車に少し余分な牽引力を与えられるが、電気自動車の電池を急速充電するにもゆく脱可能性があることが分った。
アメリカエネルギー省(DOE)アルゴンヌ国立研究所とカリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者達は、岩塩に幾何学的に似ている物質は急速充電装置に使われるリチウム電池陰極用に興味深い候補になることを発見した。リチウム岩塩として知られている、一言で言うとこの材料(Li3V2O5)には食卓塩と同様に配列されたリチウム、バナジウム、酸素原子が含まれているが、結晶構造の乱れが多くなっている。
乱れた岩塩Li3V2O5の結晶構造。赤い球は酸素、青い四面体は
四面体サイトのリチウム、緑の八面体はリチウム／バナジウム
共有八面体サイトを表す。
(カリフォルニア大学サンディエゴ校によるイメージ図)
リチウム岩塩陰極は、リチウム電池の設計者が直面していた問題に対して、金髪娘のような解決策を提供する。グラファイトのような幾つかの陰極も急速充電中に不安定であるが、チタン酸リチウムのように他の物は完全に効果を発揮するのに十分なエネルギーを蓄えられない。「容量とエネルギーはグラファイトよりも少し低いが、より早く、より安全で、より長い寿命を持っている。それはより負の化学的可能性を持っており、したがって、現在市販されている急速充電チタン酸リチウム陰極よりもエネルギー密度をはるかに改善した。」とカリフォルニア大学サンディエゴ校の博士課程研究者で論文の筆頭者であるHaodong Liuは言った。
リチウム岩塩の構造と動力学を発見するために、アメリカエネルギー省のオークリッジ国立研究所(ORNL)の研究者達と共同研究しているカリフォルニア大学サンディエゴ校チームは岩塩材料の原子構造を決定するために中性子回折を使った。Huolin Xin教授が率いているカリフォルニア大学アーバイン校とアメリカエネルギー省のブルックヘブン国立研究所の研究者達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顕微鏡研究を行った。
完了したら、アメリカエネルギー省のローレンス・バークレイ国立研究所の科学者達と共に化学者Jun Lugが率いているアルゴンヌ・チームは、充放電中の材料の結晶構造変化と荷電補償機構を明らかにするためにＸ線回折およびＸ線吸収研究を行った。この研究はビームライン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9-BM（アルゴンヌの高度な光子源(APS)）およびビームライン5.3.1(バークレイ研究所の高度な光源)を含む国立実験施設を使った。全ての3施設はアメリカエネルギー省科学局のユーザー施設である。
「電池が急速に充電され、大量のエネルギーを保持できるようにすることは、途方もない成果であり、研究者達は常のこれらの分野の新しい領域を開拓しようとしている。この新しい材料により、以前の技術のように多くの急な交換条件なしに、潜在的な新しいブレークスルーまたは応用を探索することができる。」とLuは言った。
「9-BMでその場の実験を行う能力はこのプロジェクトに大きな影響を与えた。」とアルゴンヌの物理学者Tianpin Wuは付け加えた。「Ｘ線吸収分光データを取ることで、研究者達は充放電中の電池内の全ての変化を捕らえられ、高度な光子源でのＸ線の高輝度により卓越したデータ品質が保証された。
