難燃性リチウム

ポリマーベースの電解質は、華氏 140 度以上に加熱されても発火せず、動作し続けるバッテリーを実現します。

クリス・パトリック著

充電式リチウムイオン電池は、電話、ラップトップ、その他のパーソナル電子機器や電気自動車に電力を供給するほか、ソーラーパネルで生成されたエネルギーを貯蔵するためにも使用されます。 しかし、これらのバッテリーの温度が上昇しすぎると、機能しなくなり、発火する可能性があります。

その理由の一部は、バッテリーの充電と放電の際に 2 つの電極間でリチウムイオンを運ぶバッテリー内部の電解質が可燃性であるためです。

スタンフォード大学の大学院生で、論文の筆頭著者であるレイチェル・Z・フアン氏は、「電池業界の最大の課題の1つは安全性の問題であり、安全な電池電解液を作るために多大な努力が払われている」と語った。報告書は11月30日にMatterに掲載された。

Huang氏は、エネルギー省SLAC国立加速器研究所およびスタンフォード大学の他の19人の研究者とともに、リチウムイオン電池用の不燃性電解質を開発した。 彼らの研究は、この電解質を含むバッテリーが火災を引き起こすことなく高温でも機能し続けることを実証しました。

彼らの秘密は？ もっと塩を。

従来のリチウムイオン電池の電解質は、エーテルやカーボネートなどの液体有機溶媒に溶解したリチウム塩でできています。 この溶媒はリチウムイオンの移動を助けることでバッテリーの性能を向上させますが、着火剤となる可能性もあります。

バッテリーは動作中に熱を発生します。 また、バッテリーに穴が開いたり欠陥があると、バッテリーが急速に発熱します。 華氏 140 度を超える温度では、電解液中の溶媒の小さな分子が蒸発し始め、液体から気体に変化し、バッテリーが風船のように膨らみ、ついにはガスに引火して全体が燃え上がります。

過去 30 年間にわたり、研究者たちは、イオンを移動させるために古典的な塩と溶媒の溶液の代わりにポリマーマトリックスを使用するポリマー電解質などの不燃性電解質を開発してきました。 ただし、これらのより安全な代替品は、液体溶媒ほど効率的にイオンを移動させないため、その性能は従来の電解質の性能には達していません。

チームは、安全性と性能の両方を提供できるポリマーベースの電解質を製造したいと考えていました。 そして、黄さんにはアイデアがあった。

彼女は、スタンフォード大学博士研究員でこの論文の共同筆頭著者であるジャンチェン・ライ氏が設計・合成したポリマーベースの電解質に、LiFSIと呼ばれるリチウム塩をできる限り添加することにした。

「どれだけ追加できるか、限界を試してみたかっただけです」とフアン氏は語った。 通常、ポリマーベースの電解質の重量の 50% 未満が塩です。 Huang はその数値を 63% に引き上げ、これまでで最も塩分濃度の高いポリマーベースの電解質の 1 つを作成しました。

他のポリマーベースの電解質とは異なり、この電解質には可燃性の溶媒分子も含まれていました。 しかし、溶媒固定型不燃性電解質 (SAFE) として知られる電解質全体は、リチウムイオン電池のテスト中に高温で不燃性であることが証明されました。

SAFE が機能するのは、溶媒と塩が一緒に作用するためです。 溶媒分子はイオンの伝導を助け、その結果、従来の電解質を含むバッテリーと同等の性能が得られます。 ただし、ほとんどのリチウムイオン電池のように高温で故障するのではなく、SAFE を搭載した電池は 77 ～ 212 °F の温度でも動作し続けます。

一方、豊富に添加された塩は溶媒分子のアンカーとして機能し、溶媒分子の蒸発や発火を防ぎます。

「この新たな発見は、ポリマーベースの電解質設計の新しい考え方を示している」と、スタンフォード大学教授であり、スタンフォード材料エネルギー科学研究所（SIMES）の研究者であり、フアン教授に助言をしているゼナン・バオ氏は述べた。 「この電解質は、高エネルギー密度と安全性を兼ね備えた将来の電池を開発するために重要です。」

ポリマーベースの電解質は固体または液体の場合があります。 重要なのは、SAFE の溶媒と塩がそのポリマー マトリックスを可塑化し、従来の電解質と同様に粘液のような液体にすることです。

利点の 1 つは、これまでに登場した他の不燃性電解質とは異なり、粘稠な電解質は既存の市販のリチウムイオン電池部品に適合することです。 たとえば、固体セラミック電解質では特別に設計された電極を使用する必要があるため、製造コストが高くなります。

「SAFE を使用すれば、製造設定を変更する必要はありません」と Huang 氏は言います。 「もちろん、生産に使用する場合は、電解液を生産ラインに適合させるための最適化が必要ですが、作業は他のシステムに比べてはるかに少なくなります。」

SLACとスタンフォード大学の教授でSIMES研究者でもあり、Huang氏にも助言をしているYi Cui氏は、「この非常にエキサイティングな新しい電池電解質は、既存のリチウムイオン電池セル技術と互換性があり、家庭用電化製品や電気輸送に大きな影響を与えるだろう」と述べた。 」

SAFE の応用例の 1 つは電気自動車かもしれません。

電気自動車に搭載されている複数のリチウムイオン電池が近づきすぎると、互いに加熱し、最終的には過熱や発火につながる可能性があります。 しかし、電気自動車に高温でも安定な SAFE のような電解質が充填されたバッテリーが搭載されている場合は、過熱を心配することなくバッテリーを密に詰め込むことができます。

これは、火災のリスクを軽減することに加えて、冷却システムが占有するスペースが減り、バッテリー用のスペースが増えることを意味します。 バッテリーの数が増えると、全体のエネルギー密度が増加するため、車の充電までの時間が長くなります。

「つまり、これは単なる安全上の利点ではありません」とフアン氏は言う。 「この電解液を使えば、より多くの電池を搭載できる可能性もあります。」

他のバッテリー駆動製品がもう少し安全性を高められるかどうかは時間が経てば分かるだろう。

この研究は、電池材料研究プログラムおよび電池 500 コンソーシアムの下で DOE のエネルギー効率および再生可能エネルギー局から資金提供を受けました。

引用: Huang et al.、Matter、2022 年 11 月 30 日 (10.1016/j.matt.2022.11.003)

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