トピック：バッテリー技術リチウムイオンカリフォルニア大学ロサンゼルス校
根本的な発見と新しい技術は、より優れた、より安全な充電式バッテリーにつながる可能性があります。
カリフォルニア大学ロサンゼルス校研究者らは、リチウム金属電池の安全性と効率を向上させる可能性がある画期的な発見をしました。研究者らは、リチウムの堆積中の腐食を防ぐことで、リチウム原子が独特の12角形を形成し、爆発の危険性が低減されることを発見した。このイノベーションは、リチウム電池技術に革命を起こす可能性があり、安全性と性能の向上につながる可能性があります。
充電式リチウムイオン電池は、スマートフォン、電気自動車、太陽エネルギーや風力エネルギーの貯蔵などのテクノロジーに電力を供給します。
これらは、開発も普及もされていない別の技術であるリチウム金属電池の流れを汲んでいます。それには理由があります。リチウム金属電池は、リチウムイオン電池の約 2 倍のエネルギーを保持できる可能性がありますが、発火や爆発の危険性もはるかに高いのです。
リチウム金属電池の革新的な研究
今回、UCLAのカリフォルニア・ナノシステム研究所のメンバーらによる研究により、今日のリチウムイオン電池を上回る、より安全なリチウム金属電池の実現につながる可能性がある根本的な発見が明らかになった。研究は8月2日付けの雑誌に掲載された。自然。
金属リチウムは化学物質と非常に簡単に反応するため、通常の条件下では、金属が電極などの表面に置かれるとすぐに腐食が発生します。しかし、UCLAの研究者らは、その腐食を防ぐ技術を開発し、腐食が存在しない場合には、リチウム原子が驚くべき形状、すなわちダンジョンズ・アンド・ドラゴンズなどのロールプレイング・ゲームで使用されるサイコロに似た12面体である菱形十二面体を形成することを示した。 。
リチウム金属電池の構造的側面を理解する
「リチウム金属に関する論文は数千件ありますが、構造の説明のほとんどは『分厚い』とか『柱状』といった定性的なものです」と、この研究の責任著者であり、化学・生体分子工学の助教授であるYuzhang Li氏は述べた。 UCLA サムエリ工学部および CNSI のメンバー。「表面腐食を防止すると、これらの不明確な形状ではなく、金属の結晶構造に基づく理論的予測と一致する特異な多面体が観察されたことを発見したことは私たちにとって驚きでした。最終的に、この研究により、リチウム金属電池に対する私たちの理解方法を見直すことができます。」
対照的なリチウムイオン電池とリチウム金属電池
小規模な場合、リチウムイオン電池は、電極を覆うかご状の炭素構造の中に正に帯電したリチウム原子を蓄えます。対照的に、リチウム金属電池は代わりに電極を金属リチウムでコーティングします。これにより、リチウムイオン電池と比較して同じ空間に 10 倍多くのリチウムが詰め込まれ、これが性能と危険性の両方の増加をもたらします。
リチウム コーティングを施すプロセスは、電気と電解質と呼ばれる塩の溶液を使用する 200 年以上前の技術に基づいています。多くの場合、リチウムは突き出たスパイクを備えた微細な分岐フィラメントを形成します。バッテリー内で、これらのスパイクのうち 2 つが交差すると、短絡が発生し、爆発につながる可能性があります。
この発見がバッテリーの安全性と性能に与える影響
リチウムの真の形状、つまり腐食がない状態の解明は、原子が交差する形ではなく規則正しい形で蓄積するため、リチウム金属電池の爆発の危険性が軽減できることを示唆しています。この発見は、高性能エネルギー技術にも大きな影響を与える可能性があります。
「科学者や技術者は、金、プラチナ、銀などの金属をナノキューブ、ナノスフェア、ナノロッドなどの形状に合成する研究を20年以上行ってきた」とリー氏は語った。「リチウムの形状がわかったので、問題は、電池の安全性と性能の両方を高めるために高密度に詰めることができる立方体を形成するようにリチウムを調整できるかということです。」
リチウム蒸着プロセスの再考
これまでは、溶液中の電解質の選択によってリチウムが表面に形成される形状、つまり構造が塊に似ているか柱に似ているかが決まる、という考え方が主流でした。UCLAの研究者たちは別の考えを持っていました。
この研究の筆頭著者であるUCLAの博士課程学生、Xintong Yuan氏は、「腐食膜を引き起こす反応を上回るほど迅速にリチウムを堆積できるかどうかを確認したかった」と語る。「そうすれば、その膜が存在しない場合にリチウムがどのように成長したいのかを潜在的に知ることができるでしょう。」
リチウム蒸着技術の改良
研究者らは、腐食形態よりも早くリチウムを析出させる新しい技術を開発した。彼らは、電気をより速く押し出すために、はるかに小さな電極に電流を流しました。これは、庭のホースのノズルを部分的に塞ぐと水がより勢いよく噴出するのと同じです。
ただし、プロセスを高速化しすぎると、短絡を引き起こす同じスパイク構造が発生するため、バランスが必要でした。研究チームは、小さな電極の形状を調整することでこの問題に対処しました。
彼らは、4 つの異なる電解質を使用して表面にリチウムを堆積し、標準的な手法と新しい手法の結果を比較しました。腐食により、リチウムは 4 つの異なる微細な形状を形成しました。しかし、腐食のないプロセスでは、4 つのケースすべてにおいて、リチウムが非常に小さな十二面体 (100 万分の 2 メートル以下、または単一の細菌の平均長さ程度) を形成することがわかりました。
クライオ電子顕微鏡でリチウムの形状を解明
研究者らは、クライオ電子顕微鏡（クライオEM）と呼ばれる画像技術のおかげで、リチウムの形状を見ることができた。この技術は、凍結したサンプルに電子を照射して、サンプルへの損傷を抑えながら原子レベルまで詳細を表示する。
Cryo-EM は、タンパク質やウイルスの構造を決定するために、生物科学の分野で広く普及しています。材料科学への利用は拡大しており、UCLA の研究者らには 2 つの重要な利点がありました。
まず、リー氏は大学院生だったとき、室温で電子ビームにさらされると粉々になるリチウムの分析にクライオEMを使用できることを実証しました。（彼の研究は、2017年にサイエンス誌に掲載されました。） 次に、研究チームはCNSIのナノマシン電子イメージングセンターで実験を行いました。ここには、材料研究で使用されるサンプルの種類に合わせてカスタマイズされたいくつかのクライオEM装置が設置されています。 。