食卓塩の従兄弟はエネルギー貯蔵をより速く、より安全にできる
A Cousin of Table Salt Could Make Energy Storage Faster and Safer
https://www.energy.gov/ 2021.06.15
科学
科学者達は酸化リチウム・バナジウムの中性子散乱特性と呼ばれる手法を使用して、この材料がエネルギーを急速に充電および放電できることを明らかにした。材料は食卓塩に似た構造を持っているが、よりランダムは原子配列を持っている。科学者達はこれを無秩序な岩塩構造と呼んでいる。リチウム・バナジウム酸化物はリチウム金属の「デンドライト」を生長させることなく充電および放電する。これらは堅い木のような構造であり、危険な短絡を引き起こす可能性がある。テスト中、材料はデンドライトの成長に抵抗しただけではない。また、わずか20秒でエネルギー容量の40％以上を提供した。研究によると、岩塩電極は結晶構造の空いている場所に2つのリチウム・イオンを出し入れできるため、急速な充電と放電が発生する。
影響
携帯電話やラップトップなどの小型機器に電力を供給するために使用されるものであっても、リチウム・イオン電池を完全に再充電するには数時間かかる場合がある。主な理由は、ほとんどの機器とその充電器がより低速で制御された速度で意図的に電池を充電することである。ゆっくりと充電すると、電池の保護層を突き破る可能性のあるデンドライトの成長を防げる。この保護層を失うと、火災などの深刻な反応を引き起こす可能性がある。より安全で急速に充電される電池は、リチウム・イオン電池を動力源とする電気自転車の消費者による採用を遅らせる最大の要因の1つを削減または排除する可能性がある。
要約
大学と国立研究所の科学者チームが協力して、次世代リチウム・イオン電池の材料におけるエネルギーの貯蔵と放電をより良く理解した。彼等はオークリッジ国立研究所のスポーリング中性子源のVULCAN機器で、リチウム・イオン電池の陰極として新しい材料(無秩序な岩塩結晶構造を持つ酸化バナジウム・リチウム)についてオペランド中性子回折測定を実施した。この研究では、電池が様々な速度で充電/放電サイクルを経験したときに岩塩のイオンがどのように動作するかを理解しようとした。中性子は材料内のリチウム・イオンと酸素原子を簡単に追跡でき、VULCAN機器は充電/放電サイクル中の構造変化を正確に測定できる。中性子測定に加えて、研究者達はアルゴンヌ国立研究所の高度な光子源でのX線研究、電池性能評価、および国立エネルギー研究科学コンピューティング・センターとカリフォルニア大学サンディエゴ・コンピューティング機能での理論とモデリングを実施した。新しい材料は電気自転車、電動工具、電動スクーター、およびその他の用途に必要な非常に高速な充電/放電および高エネルギー貯蔵容量を含むエネルギー貯蔵に
多くの望ましい特性を示した。この研究は、岩塩構造の材料がリチウム・イオン電池で使用される一般的な電極材料であるグラファイトに取って代わる可能性があることを示している。これらの電池は多くのエネルギーを蓄えることが出来るが、特定の条件下で火災が発生する可能性がある。新しい材料は安全に急速に充電できるが、エネルギー貯蔵容量が低い別の一般的に使用される電極であるチタン酸リチウムを置き換えることもできる。無秩序な岩塩は、高速充電/放電、安全性、長いサイクル寿命、およびより高いエネルギー貯蔵容量の適切な組み合わせを提供するため、「Goldilocks」解決策である可能性がある。