ローレンス・バークレー研究所の研究によるより優れたバッテリー

Jul 11, 2023

https://cleantechnica.com/2022/11/24/byd-may-begin-sodium-ion-battery-production-in-2023/

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ローレンス・バークレー研究所のエネルギー技術分野の上級研究員ガオ・リュー率いる研究チームは、最近、リチウムイオン電池のコストを下げ、寿命を延長できる新技術について報告する論文をネイチャー・エナジー誌に発表した。耐用年数。 要約は次のとおりです。

導電性ポリマーは、エネルギー変換および貯蔵デバイスにおける用途が増加している。 導電性ポリマーの従来の設計では、ボトムアップ合成アプローチによって有機官能基が導入され、個々のポリマーを修飾することで特定の特性が強化されます。 残念ながら、官能基を追加すると相反する効果が生じ、大規模な合成や広範な応用が制限されます。

今回我々は、熱処理により明確なナノ結晶形態を有する階層的秩序構造（HOS）を開発できる、単純な主要構成要素を備えた導電性ポリマーを示します。 導電性ポリマーで永久的な HOS を構築するという当社のアプローチは、実用的なリチウムイオン電池にとって重要な電荷輸送特性と機械的堅牢性の大幅な向上につながります。

最後に、HOS を含む導電性ポリマーが、高負荷ミクロンサイズの SiOx ベースのアノードを備えたフルセルの優れたサイクル性能を可能にし、300 サイクルにわたって 3.0 mAh cm-2 以上の面積容量と、99.95% を超える平均クーロン効率を実現することを実証します。 。

「この進歩により、より手頃な価格で製造が容易なEV用バッテリーの開発への新たなアプローチが開かれました」とLiu氏は述べた。 ここでの大きなニュースは、いわゆる HOS-PFM コーティングが電子とイオンの両方を同時に伝導するため、バッテリーの安定性と高い充放電率が確保され、同時にバッテリー寿命が向上することです。 このコーティングは、リチウムイオン電池の寿命を平均10年から約15年に延ばす可能性がある電池接着剤としても有望であると同氏は付け加えた。

クレジット: Jenny Nuss、バークレー研究所

これは、Berkeley Lab が提供した上記の図のキャプションです。

「加熱前: 室温 (摂氏 20 度) では、PFM ポリマー鎖上のアルキル末端鎖 (黒い波線) がリチウム イオン (赤い丸) の移動を制限します。

「摂氏約 450 度 (華氏 842 度) に加熱すると、アルキル末端鎖が溶けてなくなり、空いた「粘着性」サイト (青い波線) が形成され、原子レベルでシリコンまたはアルミニウム材料を「つかむ」ことになります。 その後、PFM のポリマー鎖は自己集合して、「階層的秩序構造」または HOS と呼ばれるスパゲッティ状の鎖になります。

「原子力高速道路のように、HOS-PFM ストランドにより、リチウムイオンが電子に乗って移動することができます (青い円)。 これらのリチウムイオンと電子は、整列した導電性ポリマー鎖に沿って同期して移動します。」

ここまでフォローしている場合は、読み続けてください。 HOS-PFM の優れた導電性と接着特性を実証するために、Liu 氏と彼のチームは、アルミニウムとシリコンの電極を HOS-PFM でコーティングし、リチウムイオン電池のセットアップでその性能をテストしました。 シリコンとアルミニウムは、潜在的に高いエネルギー貯蔵容量と軽量なプロファイルを備えているため、リチウムイオン電池の有望な電極材料です。 しかし、これらの安価で豊富な材料は、充放電サイクルを繰り返すとすぐに摩耗してしまいます。

ローレンス・バークレー研究所の一部である先端光源および分子ファウンドリでの実験中に、研究者らは、HOS-PFM コーティングがシリコンおよびアルミニウムベースの電極がバッテリーサイクル中の劣化を大幅に防ぎ、同時に高いバッテリー容量を提供することを実証しました。 300 サイクル、今日の最先端の電極と同等のパフォーマンス率。

シリコンベースのリチウムイオン電池は通常、充放電サイクル数とカレンダー寿命が限られているため、この結果は印象的だとリュー氏は述べた。 研究者らは、HOS-PFM コーティングが、バッテリーサイクル中のアルミニウムベースの電極の劣化を大幅に防止しながら、300 サイクルにわたって高いバッテリー容量を実現することを実証することに成功しました。 「この進歩により、より手頃な価格で製造が容易なEV用バッテリーを開発する新たなアプローチが開かれました」とGao氏は述べた。