科学者がアルミニウムを開発

Jul 08, 2023

フライブルク大学より2023年8月17日

研究者らは、有機レドックスポリマーを使用したアルミニウムイオン電池用の正極材料を開発し、グラファイトよりも高い容量を示した。 この電極材料は 5,000 回の充電サイクルに成功し、10 C でその容量の 88% を維持し、アルミニウム電池開発における大きな進歩を示しました。

アルミニウムイオン電池は、リチウムなどの調達が困難でリサイクルが難しい材料に依存する従来の電池の後継となる可能性のある電池として浮上しています。 この変化は、地殻中のアルミニウムの豊富さ、リサイクル可能性、リチウムと比べて安全性と費用対効果が比較的高いことが原因であると考えられています。

それにもかかわらず、研究者たちは十分な蓄電容量を提供できる適切な電極材料をまだ探しているため、アルミニウムイオン電池の進歩はまだ初期段階にあります。 この分野では最近、ウルム大学のビルギット・エッサー教授、フライブルク大学のインゴ・クロッシング教授、アンナ・フィッシャー教授が率いる研究チームによって画期的な進歩が見られた。ゴーティエ・ステューダー。 研究チームは、フェノチアジンをベースにした有機レドックスポリマーで構成される正極材料を開発した。

実験では、この電極材料を備えたアルミニウム電池は、これまで達成できなかった 167 ミリアンペア時/グラム (mAh/g) の容量を蓄えました。 したがって、有機レドックスポリマーは、これまで電池の電極材料として主に使用されてきたグラファイトの容量を上回ります。 この結果は、『Energy & Environmental Science』誌に掲載されました。

電極材料はバッテリーの充電中に酸化され、それによって複雑なアルミン酸アニオンが取り込まれます。 このようにして、有機酸化還元ポリマー ポリ(3-ビニル-N-メチルフェノチアジン)は、充電中に 2 つの [AlCl4]- アニオンを可逆的に挿入することができます。 研究者らは、イオン液体エチルメチルイミダゾリウムクロリドを電解質として使用し、塩化アルミニウムを添加した。

電池の概略図は、電極材料が酸化され、アルミン酸アニオンが析出する酸化還元プロセスを示しています。 クレジット: Birgit Esser / フライブルク大学

「アルミニウム電池の研究は、将来のエネルギー貯蔵システムに大きな可能性を秘めた刺激的な研究分野です」とゴーティエ・シュチューダー氏は言う。 「私たちは、高性能で可逆的な特性を示す新しい有機レドックス活性材料の開発に重点を置いています。 クロロアルミン酸塩ベースのイオン液体におけるポリ(3-ビニル-N-メチルフェノチアジン)の酸化還元特性を研究することで、フェノチアジンベースの電極材料の可逆二電子酸化還元プロセスを初めて実証し、大きな進歩を遂げました。 」

ポリ(3-ビニル-N-メチルフェノチアジン)は、0.81 ボルトおよび 1.65 ボルトの電位で [AlCl4]- アニオンを析出させ、最大 167 mAh/g の比容量を提供します。 対照的に、アルミニウム電池の電極材料としてのグラファイトの放電容量は 120 mAh/g です。 研究チームが発表したバッテリーは、5,000回の充電サイクル後も、10℃、つまり6分間の充放電速度でその容量の88パーセントを保っています。 C レートが低い場合、つまり充放電時間が長い場合、バッテリーは変化せずに元の容量に戻ります。

「高い放電電圧と比容量に加え、高速Cレートでの優れた容量保持率を備えたこの電極材料は、充電式アルミニウム電池の開発、ひいては高度で手頃な価格のエネルギー貯蔵ソリューションの開発において大きな進歩をもたらします。」とビルギット・エッサー氏は述べています。 。

参考文献: 「正極として 2 電子フェノチアジン レドックス ポリマーを備えた高容量アルミニウム電池について」Gauthier Studer、Alexei Schmidt、Jan Büttner、Maximilian Schmidt、Anna Fischer、Ingo Krossing、Birgit Esser 著、2023 年 5 月 22 日、Energy & 環境科学.DOI: 10.1039/D3EE00235G

このプロジェクトは、ドイツ研究財団 (DFG) (SPP 2248 – ポリマーベースの電池内のプロジェクト AMPERE、POLiS – EXC 2154、livMatS – EXC 2193) およびドイツ連邦議会、bwForCluster JUSTUS 2、Eva から資金提供を受けました。 Mayr-Stihl-Stiftung (Saltus!) と Land Baden-Württemberg (bwHCP)。