新しい陽極がリチウムを助ける

この記事は、IEEE Xplore と提携した独占的な IEEE Journal Watch シリーズの一部です。

研究者らは、アノードを通る電子の流れを改善する新しいリチウムイオン電池の設計を開発し、電池の容量を劇的に向上させ、充電にかかる時間を半分に短縮しました。 この進歩は、IEEE Journal on Flexible Electronics に 4 月 14 日に掲載された研究で説明されています。

電気自動車は、温室効果ガスの排出量を削減できる可能性がある重要な手段です。 しかし、これらの車のリチウムイオン電池は充電にまだ時間がかかるため、この技術の採用を思いとどまる人もいるかもしれない。

「（バッテリーの）寿命を長くしながら急速充電機能を提供できるバッテリーの革新が非常に必要とされています」と博士のヒマナガ・エマニ氏は言う。 西ミシガン大学の電気・コンピュータ工学部の研究助手であり、研究に関与した人物。

現在、電気自動車に使用されるリチウムイオン電池の負極はグラファイトでできていますが、研究者らはグラフェンなどの他の材料の使用を模索しています。 グラフェンは炭素の薄い層で構成されており、電気の伝導体としてはグラファイトよりも優れています。 ただし、単に異なる材料を使用するだけでは、バッテリーに必要な充電を促進するには十分ではない可能性があります。

研究者らは、バッテリーのアノードにマイクロメートルスケールの二次細孔ネットワーク (SPN) [左] をドリル加工すると、バッテリーの全体的な充電速度と容量保持率が向上することを発見しました。西ミシガン大学/IEEE

そこで、エマニ氏と彼のチームは、レーザー構造化を使用して、新しいグラフェンアノードに沿って細孔のネットワークを作成しました。 これらの小さな穴により、電子がアノードをより容易に流れることができるため、充電時間が短縮されます。 グラファイト陽極を備えた今日の市販のリチウムイオン電池の理論容量は 1 グラムあたり 372 ミリアンペア時ですが、研究者らが新たに提案した細孔のあるグラフェン陽極は 700 mAh/g 以上の容量を実現できます。

研究者らは、室温で10分から2時間の充電時間を伴う一連の実験で新しいアノードをテストした。 結果は、1 時間を超える充電期間にわたって、細孔を備えた新しいアノードが従来のアノードと比較して電池容量に大きな影響を及ぼさなかったことを示しています。 しかし、充電時間が 1 時間未満の場合、細孔のあるグラフェン アノードは従来のアノードの 2 倍の速度でした。

「簡単に言えば、私たちの結果に基づくと、充電に 1 時間かかる市販のバッテリーは 30 分以内に充電できる可能性があります」とエマニ氏は言います。

重要なのは、新しいバッテリーは繰り返し使用しても容量を維持することです。 通常、バッテリーは充電サイクルを複数回繰り返すと容量が減少します。 この研究では、200 回の充電サイクル後、胞子のあるセルは、細孔のないセル (わずか 38 パーセント) と比較して、90 パーセント近くという優れた容量保持率を示しました。

この研究では、コイン電池の形をした新しい陽極を室温で分析したとエマニ氏は指摘する。 「市場に投入する前に、パウチ型、円筒型、角型のセルでこれらのバッテリーをテストしたいと考えています。これらは電気自動車で最もよく使用される基本的なタイプのバッテリー構成であるためです。」

研究チームは、さまざまな温度でのこれらの多孔質アノードの研究にも興味を持っています。 「電気自動車で使用されるバッテリーは、地理的位置、天候、季節に応じて広範囲の温度にさらされるため、過酷な条件下でバッテリーの性能をさらに高めるために、これは重要なパラメータです」と彼は言います。