より良いソリッドへの道を進む

ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）とフロリダ州立大学のチームは、特定の化学元素、特にサプライチェーンの問題で調達が困難な重要な金属への依存度が低い全固体電池の新しい青写真を設計した。彼らの取り組みが報告されました最近サイエンス誌で、効率的で手頃な価格の全固体電池を進歩させる可能性があると発表しました。

高いエネルギー密度と優れた安全性が宣伝されている全固体電池は、電気自動車業界にとって大きな変革をもたらす可能性があります。 しかし、手頃な価格でありながら、1 回の充電で数百マイル車に電力を供給できる十分な導電性を備えた製品の開発は、長い間、克服するのが困難なハードルでした。

「全固体電池に対する当社の新しいアプローチにより、性能のために手頃な価格を諦める必要はありません。 私たちの研究は、単一の金属だけでなく、手頃な価格の金属のチームと協力して固体電解質を設計することによって、この問題を初めて解決しました」と、バークレー研究所材料科学部門のスタッフサイエンティストである共同筆頭著者のヤン・ゼン氏は述べています。

リチウムイオン電池では、電解液が転送ハブのように機能し、リチウムイオンが電荷とともに移動してデバイスに電力を供給したり、電池を充電したりします。

他の電池と同様に、全固体電池はエネルギーを蓄積し、それを電力デバイスに放出します。 ただし、リチウムイオン電池に見られる液体またはポリマーゲル電解質ではなく、固体電解質が使用されます。

多くの商用電池用に設計された液体電解質は過熱、発火、充電損失を起こしやすいため、政府、研究機関、学術機関は全固体電池の研究開発に多額の投資を行っています。

しかし、これまでに構築された固体電池の多くは、高価で大量に入手できない特定の種類の金属をベースとしています。 米国ではまったく見つからないものもあります。

今回の研究で、ゼン氏は、フロリダ州立大学の化学と生化学の助教授であるビン・オウヤン氏、および主著者であるバークレー研究所の上級科学者でカリフォルニア大学バークレー校の材料科学・工学教授であるガーブランド・シーダー氏とともに、新しいタイプを実証した。さまざまな金属元素を混合した固体電解質。 Zeng と Ouyang は、Ceder の監督の下、バークレー研究所とカリフォルニア大学バークレー校でポスドク研究を終えているときに、この研究のアイデアを初めて開発しました。

新しい材料は、大量の個々の元素への依存度が低い、より導電性の高い固体電解質をもたらす可能性がある。

バークレー研究所とカリフォルニア大学バークレー校での実験では、研究者らは複数の混合金属を使用したいくつかのリチウムイオン材料とナトリウムイオン材料を合成し、テストすることで新しい固体電解質を実証した。

彼らは、新しい複合金属材料が予想よりも優れた性能を発揮し、単一金属材料よりも数桁速いイオン伝導率を示すことを観察しました。 イオン伝導率は、リチウムイオンが電荷を伝導するために移動する速度の測定値です。

研究者らは、多くの異なる種類の金属を混合すると、渋滞した高速道路に高速道路を追加するのと同じように、リチウムイオンが電解質中を素早く移動できる新しい経路を生み出すと理論づけている。 これらの経路がなければ、リチウムイオンが電解質を通ってバッテリーの一方の端からもう一方の端まで移動する際の移動は遅くなり、制限されるとZeng氏は説明した。

マルチメタル設計の候補を検証するために、研究者らは国立エネルギー研究科学計算センター（NERSC）のスーパーコンピューターで密度汎関数理論と呼ばれる方法に基づく高度な理論計算を実行した。 研究者らは、分子鋳造所の走査型透過電子顕微鏡 (STEM) を使用して、各電解質が 1 種類の材料 (科学者が「単相」と呼ぶもの) のみでできていることを確認しました。電解質には異常な歪みがあり、その中に新しいイオン輸送経路が生じています。結晶構造。