新しいバッテリーの画期的な進歩: 岩塩ポリアニオン正極

新しい研究により、バッテリーの実用的なエネルギー密度が向上しました。

自動車産業での使用の増加、携帯家電の人気の高まり、厳しい環境規制のおかげで、バッテリーの需要は世界中で増加しています。その結果、世界のバッテリー市場は2023年の約1,200億ドルから、2036年までに8,000億ドルに達すると予測されています。

この予想される成長を考慮して、研究者は、エネルギー出力、エネルギー貯蔵、電力容量、サイクル容量などの特性に影響を与えるバッテリーの重要な部分を改善するために、新しい材料や化学薬品の開発とテストを継続的に行っています。

これらのコンポーネントには、カソード (正極)、アノード (負極)、電解質 (電極間のイオン輸送用)、およびセパレーターが含まれます。  

EV、スマートフォン、エネルギー貯蔵システムなど、今日のほとんどのバッテリー駆動デバイスは、リチウムイオンバッテリー技術に依存しています。リチウムイオン電池は、コンパクトなサイズに大量のエネルギーを蓄え、急速充電し、長持ちします。

しかし、より優れた性能のバッテリーに対する需要が高まるにつれ、効率の向上、コストの削減、安全性の向上、持続可能性の促進を目的とした新しい技術が研究開発されています。

長年にわたる継続的な研究により、リチウムイオン電池や鉛蓄電池の有望な代替品を提供する進歩がもたらされました。 

ナトリウムイオン電池は、低温でより優れた性能を発揮する、より手頃な価格で安全なオプションを提供します。これらの電池はリチウムイオン電池に似ていますが、電解質として塩水を利用しているため、エネルギー貯蔵により適していますが、まだ最適化されていません。研究者らは、ナノワイヤーの弾力性を高め、電池での使用に適したものにするために電解質ゲルも使用しています。 

一方、全固体電池は、ゲルや液体電解質の代わりに、ガラス、セラミック、ポリマーなどの固体電解質を使用します。これらのバッテリーは効率がはるかに高く、重量が軽く、充電が速く、すでにスマートフォンやペースメーカーで使用されています。トヨタとBMWは現在、全固体電池を搭載した自動車の発売に取り組んでいますが、まだ数年かかります

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新しい電池技術には、コスト効率は高いが耐久性に限界があるリチウム硫黄電池や、コバルト採掘における人権問題への対応に役立つコバルトフリーのリチウムイオン電池も含まれます。ただし、TAQ のような代替手段はまだ新しいため、さらなるテストが必要です。

亜鉛ベースの電池も研究されており、亜鉛-二酸化マンガン電池、亜鉛-空気電池、亜鉛-臭素電池、亜鉛イオン電池などの技術が使用されています。ただし、効率が悪く、予期せぬ化学変換反応を伴う場合があり、製造コストが高くつき、さらなる研究が必要です。

世界がバッテリーへの依存度を高める中、世界中の科学者は保存時間、出力、生産コスト、即時対応性において画期的な進歩を達成することに焦点を当てています。

最新のバッテリーの画期的な進歩: 岩塩ポリアニオン正極

新しい研究により、バッテリーの実用的なエネルギー密度が向上しました。先月末 Nature Energy に掲載された、「過剰なリチウムと安定したサイクリングを備えた統合された岩塩ポリアニオン陰極」と題された研究は、マサチューセッツ工科大学原子力科学工学部によって実施されました。

この研究は、リチウムイオン電池に使用する先進的な正極材料として10年以上研究されてきた、無秩序な岩塩で見つかった新しい正極材料に焦点を当てています。 

MIT の研究者は、この材料が EV、携帯電話、再生可能エネルギー貯蔵用の高エネルギー、低コストの貯蔵を作成できることを確認しました。

東京電力原子力工学教授のJu Li氏が率いるチームは、DRXPS、つまり無秩序岩塩ポリアニオン性スピネルを新しい材料として発見しました。

ポリアニオンと統合されたこの新しいカテゴリーの部分的に無秩序な岩塩カソードは、サイクル安定性が向上し、高電圧で高いエネルギー密度を実現することが判明しました。通常、正極材料のエネルギー密度とサイクル安定性の間にはトレードオフの関係があることを考えると、これは素晴らしい成果です。

「この研究では、新しいカソード化学を設計することで限界に挑戦することを目指しています。」

– Yimeng Huang、論文の筆頭著者、NSE の博士研究員

では、新しい材料ファミリーはどのようにして高いエネルギー密度と良好なサイクル安定性の両方を達成できるのでしょうか?その答えは、岩塩とポリアニオン性カンラン石という 2 つの主要な正極材料の統合にあります。それらを組み合わせることで、両方のメリットを得ることができました。

ここでもう一つ関与しているのは、マンガン (Mn) です。マンガン (Mn) は、地球上に豊富に存在する硬くて銀色の金属で、今日のカソードに現在使用されている他の元素よりもはるかに安価です。 

例如，錳的價格比鈷 (Co) 便宜約三十倍，比鎳 (Ni) 便宜約五倍，這兩種材料都常用於電池。此外，錳在實現更高能量密度方面發揮著至關重要的作用。 

「（擁有這樣的）地球上豐富的材料是一個巨大的優勢。」

– 李，材料科學與工程教授

研究人員表示，這項優勢對於需要再生能源基礎設施的零碳未來具有巨大價值。 

電池可以發揮重要作用

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