スタンフォード大学の研究者達は６倍の電力を蓄える
充電式電池を作る
Stanford Researchers Make Rechargeable Batteries That Store Six Times More Charge
By Andrew Myers
https://news.stanford.edu/ より 2021.08.25
スタンフォード大学で開発された新しいタイプの充電式アルカリ金属塩素電池は、現在一般的に使用されている市販の充電式リチウム・イオン電池の６倍の電力を保持する。
スタンフォード大学が率いる国際的な研究者チームは、現在市販されている物の最大６倍の電力を蓄えることができる充電式電池を開発した。Nature誌で8月25日に発表された新しい論文で詳述されている進歩は、充電式電池の使用を加速し、電池研究者達を彼等の分野の２つの上位目標の達成に向けて一歩近付ける可能性がある：充電なしで毎日6倍の距離を移動できる電気自動車の代わりに、週1回だけ携帯電話に充電できる高性能の充電式電池を作成する。
スタンフォード大学の化学教授Hongjie Daiと博士候補のGuanzhou Zhuが率いる研究チームによって開発された新しいいわゆるアルカリ金属塩素電池は、塩化ナトリウム(Na/Cl2)または塩化リチウム(Li/Cl2)から塩素への前後の化学変換に依存している。
電子が充電式電池の一方の側からもう一方の側に移動する時、再充電すると化学物質が元の状態に戻り、別の使用を待つ。非充電式電池にはそのような機能はない。「充電式電池はロッキング・チェアーに少し似ている。それは一方向に傾くが、電気を加えると元に戻る。ここにあるのは揺れ動くロッキング・チェアーである。」とDaiは説明した。
偶然の発見
高性能の充電式ナトリウム－塩素またはリチウム－塩素電池をまだ誰も作成していなかった理由は、塩素の反応性が高すぎて高効率で塩化物に戻すのが難しいためである。他の人がある程度の充電性を達成できた幾つかのケースでは、電池性能が悪いことが判明した。
実際、DaiとZhuは充電式のナトリウムとリチウム－塩素電池の作成に着手したのではなく、塩化チオニルを使用して既存の電池技術を改善することだけを目的としていた。この化学物質は1970年代に最初に発明された使い捨て電池の人気のあるタイプである塩化リチウム・チオニル電池の主成分の1つである。
しかし、塩素と塩化ナトリウムを含む初期の時間経過の1つで、スタンフォード大学の研究者達はある化学物質から別の化学物質への変換が何らかの形で安定し、ある程度の再充電が可能であることに気付いた。「それが可能だとは思わなかった。何が起こっているのかを実際に理解するのに少なくとも1年かかった。」とDaiは言った。
次の数年わたってチームは可逆化学を解明し、電池の陽極用の多くの異なる材料を実験することによって、それをより効率的にする方法を模索した。大きな進歩は、共同研究者のYuan-Yao Li教授と台湾国立中正大学の学生であるHung-Chun Taiの高度な多孔質炭素材料を使用して電極を形成したときにもたらされた。炭素材料は多くの超小型細孔で満たされたナノスフェア構造を持っている。実際には、これらの中空球はスポンジのように機能し、他の方法では接触しやすい塩素分子を大量に吸収し、後にミクロポア内で塩に変換するためにそれらを保存する。
「電池が充電されると、塩素分子が炭素ナノスフェアの小さな細孔に閉じ込められて保護される。その後、電池の消耗や放電が必要になったときに、電池を放電して塩素を変換し、NaCl(食卓塩)を作り、このプロセスを何サイクルにもわたって繰り返される。現在、最大200回のサイクルが可能であるが、まだ改善の余地はある。」とZhuは説明する。
その結果、電池設計の真鍮製リング、つまり高エネルギー密度への一歩が生まれた。研究者達はこれまでに陽極材料1 g当たり1,200 mAhを達成したが、今日の市販のリチウム・イオン電池の容量は1 g当たりサイクル痔発色反応200 mAhである。「我々の物は少なくとも6倍の容量がある。」とZhuは言った。
研究者達は衛星やリモートセンサーなど頻繁な再充電が実用的または望ましくない状況で、何時の日か電池が使用されることを想定している。他の方法で使用できる衛星の多くは現在、軌道上に浮かんでおり、電池が切れているために時代遅れになっている。長寿命の充電式電池を搭載した将来の衛星にはソーラー充電器を搭載して、その有用性を何倍にも拡大する可能性がある。
しかし今のところ、彼等が開発した実用的なプロトタイプは補聴器やリモコンなどの小さな日常の電子器機での使用に適している可能性がある。家庭用電化製品や電気自動車の場合、電池構造を設計し、エネルギー密度を高め、電池をスタートアップし、サイクル数を増やすために、さらに多くの研究が残っている。
