アルゴンヌ国立研究所がリチウムを生成

Oct 17, 2023

アルゴンヌ国立研究所の研究者らは、寒冷下では性能が低下するリチウムイオン電池の解決策があるかもしれないと考えている。

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寒冷地に住んで電気自動車を運転する人は、車のリチウムイオン電池が氷点下の気温ではうまく機能しないことを知っています。 充電速度はそれほど速くなく、それほど遠くまでは進みません。 それは問題だが、アルゴンヌ国立研究所は答えがあるかもしれないと言っている。

アルゴンヌ大学の科学者らはブログ投稿で、今日のリチウムイオン電池では、電池の充電と放電の際にイオンがカソードとアノードの間を移動する経路として機能する液体電解質が氷点下の温度で凍結し始めると述べている。 。 この状況により、寒冷地や季節における電気自動車の充電効率が大幅に制限されます。

アルゴンヌ国立研究所とローレンスバークレー国立研究所の科学者チームは協力して、氷点下の温度でも良好に機能するフッ素系電解質を開発しました。 アルゴンヌ国立研究所の研究グループを率いるジョン・チャン氏は、「我々の研究は、電解質溶媒の原子構造を調整して氷点下向けの新しい電解質を設計する方法を実証した」と語る。

「私たちのチームは、華氏マイナス4度でも充電性能が低下しない不凍液電解液を発見しただけでなく、何がその効果を高めるのかを原子レベルで発見した」と上級化学者でグループリーダーの張氏は語った。アルゴンヌの化学科学および工学部門。 この低温電解質は、電気自動車のバッテリーとしてだけでなく、送電網やコンピューターや電話などの家電製品のエネルギー貯蔵としても有望です。

従来の車を運転するために 4 ストローク エンジンがどのように機能するかを知る必要がないのと同様、電気自動車を運転するためにバッテリーがどのように機能するかを知る必要はありません。 おそらく私たちのほとんどは、リチウムイオン電池がどのように機能するかについて初歩的な知識しか持っていません。 アルゴンヌ研究所は、現在ほとんどのリチウムイオン電池で使用されている電解質は、広く入手可能な塩である六フッ化リン酸リチウムとエチレンカーボネートなどのカーボネート溶媒の混合物であると説明している。 溶媒は塩を溶解して液体を形成します。

バッテリーが充電されると、液体電解質がリチウムイオンをカソード（通常はリチウムを含む酸化物）からアノード（通常はグラファイトでできている）に移動させます。 これらのイオンはカソードから出て、その後アノードに入る途中で電解質を通過します。 電解質中を輸送される間、それらは 4 つまたは 5 つの溶媒分子のクラスターの中心に位置します。

最初の数回の充電中に、これらのクラスターがアノード表面に衝突し、固体電解質界面と呼ばれる保護層を形成します。 この層が形成されると、フィルターのように機能します。 溶媒分子をブロックし、リチウムイオンのみが層を通過できるようにします。 これにより、バッテリーの充電時にアノードがグラファイトの構造内にリチウム原子を蓄えることができます。 放電段階では、電気化学反応によりリチウムから電子が放出され、電気自動車の動力として使用される電気が生成されます。

温度が下がると、カーボネート溶媒を含む電解液が凍結し始めます。 その結果、リチウムイオンは溶媒クラスター内で非常に強く結合しているため、充電中にリチウムイオンをアノードに輸送する能力が失われます。 したがって、これらのイオンがクラスターを排出し、界面層に侵入するには、室温よりもはるかに高いエネルギーが必要です。 科学者たちは、寒冷地での性能低下の解決策は、凍らないより優れた溶媒を見つけることだと信じていました。

研究チームはフッ素を注入したいくつかの溶媒を調査し、氷点下の温度でクラスターからリチウムイオンを放出するエネルギー障壁が最も低い溶媒を特定することができた。 彼らはまた、なぜその特定の組成が非常にうまく機能するのかを原子スケールで解明しました。それは各溶媒分子内のフッ素原子の位置とその数に依存していました。

実験室用電池によるテストでは、フッ素化電解質は華氏マイナス 4 度で 400 回の充放電サイクルにわたって安定したエネルギー貯蔵容量を維持しました。 その温度でも、バッテリーの容量は、室温で従来の炭酸塩ベースの電解質を使用したセルの容量と同等でした。 「したがって、私たちの研究は、電解質溶媒の原子構造を調整して氷点下向けの新しい電解質を設計する方法を実証しました」とZhang氏は述べた。

不凍液電解液には重要な特典も付属していました。 現在使用されている炭酸塩系電解液に比べて引火することがなく、安全性が非常に高いです。 「私たちは低温でより安全な電解質の特許を取得しており、現在、それをリチウムイオン電池の設計の1つに適用してくれる産業パートナーを探しているところです」とZhang氏は語った。

アルゴンヌ大学の張氏の同僚の科学者は、ユ・ドンジュ、劉銭、キム・ミンギュである。 バークレー研究所の著者は、オリオン・コーエンとクリスティン・パーソンです。 この研究は、DOE エネルギー効率・再生可能エネルギー局、車両技術局から資金提供を受けました。

画像クレジット: アルゴンヌ国立研究所 (Advanced Energy Materials 経由)

この研究は、『Advanced Energy Materials』誌で非常に詳細に説明されています。 私は科学者ではありませんし、テレビで科学者を演じたこともありません。 ほとんどの科学文書の冗長な散文は私の目を曇らせるので、それは良いことです。 この研究についてさらに詳しく知りたい場合は、上記のリンクをたどって、自分自身をノックアウトすることをお勧めします。 この研究論文には、「低温リチウムイオン電池用のフッ素化電解質の合理的設計」というキャッチーなタイトルが付けられています。

CleanTechnica の読者の多くは、電気で動くものに関しては非常に精通しており、この新しい電解液には室温で何かマイナスの欠点があるのか​​、それとも電池寿命が短くなるのかを知りたいと思っている人も多いと思います。どちらも電池メーカーの関心を妨げる可能性があります。この新しいテクノロジーを取り入れてください。 以下は、それらの懸念のいくつかに対処する可能性のある研究からの抜粋です。

「高い C レートおよび低温での長期サイクル特性は、リチウム イオン バッテリーの課題の 1 つであると考えられています。当社の電解液の優位性を証明するために、さまざまな条件で長期サイクル テストを実施しました。

「25 °C で 2 C の電流を印加した場合、フッ素を含む酢酸エチル電解液は 400 サイクル後に容量保持率が 73% まで徐々に低下しましたが、LiDFOB 添加剤を含む酢酸エチル電解液は 400 サイクル後に 91% という最高の容量保持率を示しました。この傾向は、さらに 6 C の高電流でも継続します。

「Gen 2 は 50 サイクル以内に 34% まで急速に劣化しましたが、LiDFOB 添加剤を含む電解液は 500 サイクル後でも 85% という最高の容量保持率を示しました。-20 °C で C/3 の電流を印加した場合、Gen 2 とエチル酢酸塩電解質は深刻な容量低下を示し、300 サイクル後の容量保持率はそれぞれ 7.5% と 34% に相当しました。

「まったく対照的に、LiDFOB 添加剤を含むフッ素電解液を含む酢酸エチルは無視できるほどの容量損失を示し、300 サイクル後でも 97% の容量を維持しました。さらに、すべてのテスト条件において、LiDFOB 添加剤を含む EA-f 電解液のクーロン効率は「他の電解液よりも高い。このサイクルテストの結果は、急速充電と低温動作に対する当社の電解液の優れた安定性を示しています。」

今日の内燃エンジンは、吸う、押す、叩く、吹くという言葉でその基本に還元できる 4 ストローク エンジンの基本的な前提を除いて、100 年前のエンジンと共通する特徴はほとんどありません。 チャン博士とアルゴンヌ国立研究所の同僚のような世界中の何千人もの研究者のおかげで、バッテリー技術は今日急速に進歩しています。

寒冷地での性能が低いことが問題であり、EV革命が完了したと考える前に解決する必要がある。 フッ素系電解液を使用したリチウムイオン電池については、フッ素の存在がリチウムイオン電池の製造とリサイクルにどのような影響を与えるのかをはじめ、わかっていないことがたくさんあります。

結局のところ、フッ素は大気中に入るとオゾン層にダメージを与える強力な化学物質です。 さらに、リン酸鉄リチウムなどのさまざまな電池の化学的性質は、より一般的な NMC 電池よりも低温の影響を受けにくいようです。 ナトリウム電池や硫黄電池が研究室から出て商業生産に入った後、現実世界でどのように機能するかは誰にもわかりません。

私たちが比較的確実に言える唯一のことは、今から 10 年後に使用される電池は、トランジスタが真空管から作られるのと同じように、今日の電池とは異なっているということです。 EV革命はまだ始まったばかりです。 次に何が起こるのか楽しみです。

スティーブは、フロリダの自宅やフォースに導かれそうな場所から、テクノロジーと持続可能性の間のインターフェースについて書いています。 彼は「目が覚めた」ことを誇りに思っており、ガラスが割れた理由などまったく気にしていません。 彼は、3000 年前にソクラテスが言ったことを熱心に信じています。「変化の秘訣は、古いものと戦うことではなく、新しいものを構築することにすべてのエネルギーを集中することです。」

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