固体電池、エネルギー需要の高まりの転換点

   

(Giovanni Calceranoによる)私たちの技術の世界では、バッテリーはいたるところにあります:電話、ラップトップ、家庭用電化製品だけでなく、ポータブルデバイス、おもちゃ、産業用アプリケーション。 そして、今日の消費者の期待に応えるために、これらのバッテリーは、より軽く、より強力で、より長持ちするように設計されている必要があります。 現在、この分野で最も近代的な技術はリチウムイオン電池の技術ですが、この技術は高価であり、可燃性の液体が存在するため、電池を誤って使用すると安全上のリスクが生じる可能性があります。 新興市場(電気自動車、再生可能エネルギー貯蔵など)からの高まる需要に対応するために、エンパ(スイス連邦材料科学技術研究所)およびジュネーブ大学(UNIGE)の研究者は、 「オールソリッドステート」と呼ばれる新しいプロトタイプバッテリーを考案しました。このバッテリーは、高レベルの安全性と信頼性を維持しながら、より多くのエネルギーを蓄える可能性があり、リチウムに代わる経済的なナトリウムベースです。

バッテリーが機能するには、アノード(負極)、カソード(正極)、および電解質のXNUMXつの主要コンポーネントが必要です。 今日、私たちの電子機器で使用されているバッテリーのほとんどは、リチウムイオンをベースにしています。 バッテリーが充電されると、リチウムイオンはカソードを離れてアノードに移動します。 リチウムデンドライト(バッテリーの短絡を引き起こす可能性のある一種の微細なスタラグマイト)の形成を回避するために、市販のバッテリーのアノードは金属リチウムではなくグラファイトで作られていますが、この超軽量金属は貯蔵できるエネルギー量を増やします。

EmpaとUNIGEの研究者は、新興市場からの高まる需要に対応し、さらに優れたパフォーマンスを備えたバッテリーを製造するための「ソリッド」バッテリーの利点に焦点を当てました。 彼らのバッテリーは、液体の代わりに固体電解質を使用しているため、デンドライトの形成をブロックする金属アノードを使用できるため、安全性を確保しながら、より多くのエネルギーを蓄えることができます。

「しかし、毒性がないことに加えて、化学的および熱的に安定であり、ナトリウムがアノードとカソードの間を容易に移動できる適切な固体イオン伝導体を見つける必要がありました」と化学科のハンス・ハーゲマン教授は説明します。とUNIGE理学部の物理学。 研究者らは、ホウ素ベースの物質であるクロソボランがナトリウムイオンを自由に循環させることを発見しました。 また、クロソボランは無機導体であるため、充電中のバッテリー火災のリスクを回避します。 言い換えれば、それは多くの有望な特性を備えた材料です。

「困難なのは、バッテリーのXNUMXつの層、つまり固体金属ナトリウムからなるアノード、カソード、混合ナトリウムクロム酸化物、および電解質であるクロソボランの間に密接な接触を確立することでした」と研究者のLéoDuchêneは述べています。エンパで。 研究者らは、酸化ナトリウムクロム粉末を加える前に、バッテリー電解質の一部を溶媒に溶解しました。 溶媒が蒸発すると、カソード粉末複合材料を電解質およびアノードと積み重ね、さまざまな層を圧縮してバッテリーを形成しました。

その後、EmpaとUNIGEの研究者がバッテリーをテストしました。 「ここで使用している電解質の電気化学的安定性は250ボルトに耐えることができますが、以前に研究された多くの固体電解質は同じ電圧で損傷します」と、エンパの研究者であり、スイス国立財団の支援を受けているプロジェクトリーダーであるArndtRemhofは述べています。科学(SNSF)および熱および電力貯蔵に関するスイスエネルギー研究センター(SCCER-HaE)。 科学者は85回以上の充電と放電のサイクルでバッテリーをテストしましたが、その後もエネルギー容量の1.200%が利用可能でした。 「しかし、バッテリーが市場に出るまでにはXNUMXサイクルかかります」と研究者たちは言います。 「さらに、デンドライトが形成されているかどうかを確認して電圧をさらに上げることができるように、室温でのバッテリーの動作を分析する必要があります。 私たちの実験はまだ進行中です。」

https://youtu.be/j1jAk3wf1Uc