新モデルは次のソリューションの可能性を提供します

新しい研究スタンフォード大学の研究者らによるこの研究は、より優れた、より安全なリチウム金属電池の構築に向けた道筋を示しています。

ポータブル電子機器や電気自動車で広く使用されている充電式リチウムイオン電池に近いリチウム金属電池は、次世代のエネルギー貯蔵デバイスとして大きな期待を抱いています。 リチウムイオンデバイスと比較して、リチウム金属バッテリーはより多くのエネルギーを保持し、充電が速く、重量が大幅に軽いです。

しかし、これまでのところ、充電式リチウム金属電池の商用利用は限られている。 主な理由は、リチウム金属が電池内の電極に蓄積するにつれて成長する薄い金属の木のような構造である「デンドライト」の形成です。 これらの樹状突起はバッテリーの性能を低下させ、最終的には故障につながり、場合によっては危険な火災を引き起こす可能性もあります。

新しい研究は、理論的な観点からこの樹状突起の問題にアプローチしました。 Journal of The Electrochemical Societyに掲載された論文に記載されているように、スタンフォード大学の研究者は、樹状突起の形成に関与する物理学と化学を統合した数学的モデルを開発しました。

このモデルは、特定の特性を持つ新しい電解質（バッテリー内の 2 つの電極間をリチウムイオンが移動する媒体）を交換すると、樹枝状結晶の成長を遅らせたり、完全に停止させたりできる可能性があるという洞察を提供しました。

ダニエル・タルタコフスキー教授とハムディ・チェレピ教授の共同指導者であり、エネルギー資源工学の博士課程の学生で研究主著者のウェイユ・リー氏は、「私たちの研究の目的は、寿命が長いリチウム金属電池の設計を支援することです」と述べた。 「私たちの数学的枠組みは、リチウム金属電池における主要な化学的および物理的プロセスを適切なスケールで説明します。」

「この研究は、樹状突起が形成される条件と、樹状突起の成長を抑制する考えられる経路についての具体的な詳細の一部を提供します」と、研究共著者であるスタンフォード大学地球エネルギー・大学院エネルギー資源工学教授のチェレピ氏は述べた。環境科学 (スタンフォード・アース)。

実験者は樹状突起の形成につながる要因を理解しようと長い間努力してきましたが、実験室での作業は労働集約的であり、結果の解釈が難しいことが判明しています。 この課題を認識して、研究者らは、電池の内部電場と電解質材料を通るリチウムイオンの輸送を他の関連メカニズムとともに数学的に表現する方法を開発しました。

研究結果を入手すれば、実験者は物理的に妥当な材料とアーキテクチャの組み合わせに集中できます。 「私たちの希望は、他の研究者が私たちの研究から得たこのガイダンスを利用して、適切な特性を持つデバイスを設計し、実験室で行わなければならない試行錯誤や実験のバリエーションの範囲を減らすことができることです」とチェレピ氏は述べた。

具体的には、この研究で求められる電解質設計の新しい戦略には、異方性材料、つまり異なる方向に異なる特性を示す材料の追求が含まれます。 異方性材料の典型的な例は木材です。これは、木目に逆らうものよりも、木目の方向の方が強く、木の中に線として表示されます。 異方性電解質の場合、これらの材料はイオン輸送と界面化学の間の複雑な相互作用を微調整し、樹枝状結晶の形成を進める蓄積を阻止する可能性があります。 一部の液晶やゲルは、これらの望ましい特性を示すと研究者らは示唆しています。

研究によって特定された別のアプローチは、バッテリーセパレーター、つまりバッテリーの両端の電極が接触して短絡するのを防ぐ膜に焦点を当てています。 リチウムイオンが異方性で電解質を行き来する細孔を備えた新しい種類のセパレータを設計できる可能性があります。

研究チームは、他の科学研究者が研究で特定された「手がかり」を追跡調査することを楽しみにしている。 これらの次のステップには、実験的な新しい電解質配合とバッテリー構造に依存する実際のデバイスの製造が含まれ、その後、どれが効果的で、拡張性があり、経済的であることが証明されるかをテストする必要があります。