リチウム硫黄電池の軽量化で大幅なコスト削減を実現

masapoco
投稿日
2023年10月16日 9:14
SEM of Coated Lithium 519 x 350

再生可能エネルギーへの転換がますます世界的な取り組みになるにつれ、より効率的で安価な持続可能なエネルギー貯蔵システムが緊急に必要とされている。

モナシュ大学の科学者たちは、ナノポーラス・ポリマーでコーティングしたリチウム箔負極を使用し、部品あたりのリチウム使用量が少ない新しいタイプのリチウム硫黄(Li-S)電池を開発したとのことだ。

モナシュ工科大学の博士課程学生Declan McNamara氏、Matthew Hill教授、Mainak Majumder教授は、RMIT大学のMakhdokht Shaibani博士とともに、彼らの新しい改良型電池設計(ナノ多孔質ポリマーでコーティングしたリチウム箔負極を利用)が、いかにリチウムの使用量が著しく少なく、体積あたりのエネルギー発生量が多く、はるかに長持ちし、現在のリチウムイオン電池の半分のコストになるかを、新しい研究の中で説明している。

現在のリチウムイオン電池と比較すると、リチウム硫黄(Li-S)電池はグラム当たりのエネルギーが大きい。しかし、現在の手順はリチウムを見つけるのに非常に効果的であるにもかかわらず、これらのプロセスは環境に大きな影響を与えるため、持続可能なエネルギー貯蔵ソリューションの製造にはリチウムの使用をできるだけ少なくする必要がある。

この研究の主任研究者であるMcNamara氏は、新しい設計の薄いポリマー被覆は、リチウムの使用量を少なくするだけでなく、電池の寿命を劇的に延ばすことができると説明した。

リチウムの充放電を助ける層

「ポリマーにはナノメートル(10億分の1メートル)以下の小さな穴があり、リチウムイオンの自由な移動を可能にすると同時に、リチウムを攻撃する他の化学物質をブロックする。コーティングはリチウムの足場としても機能し、充電と放電を繰り返すのを助けます」とMcNamara氏は言う。

しかし、金属であるリチウムには欠点もある。リチウムは非常にエネルギッシュな物質だが、非効率的な電池は望ましくない副反応によってエネルギーを失う。その反面、エネルギーを適切に利用すれば、より構造が簡単で強力なエネルギー貯蔵デバイスを作り出すことができる。「このコーティングは、非常に効果的で製造が簡単なLi-S電池の製造に向けた一歩です」、とMcNamara氏はさらに付け加えた。これらの特徴は、大量生産に理想的である。

さらに、この新しい設計ではニッケルやコバルトを使用する必要がない。ニッケルやコバルトは環境コストや社会コストが非常に高く、安全で効率的な再生可能エネルギーやエネルギー貯蔵ソリューションへの投資を求める多くの企業の課題となっている、

有望な開発

Majumder教授は、これらの進歩はLi-S電池を広く普及させるための大きな障壁の一つを取り除くものだと付け加えた。

「リチウム金属保護技術は、将来のエネルギー密度が高く持続可能なバッテリーを目指す上で、極めて重要になるでしょう。この研究は、Li-S電池のアキレス腱であった急速な腐敗や致命的な故障からLi-Metalを保護するための新しい枠組みを確立するものです」。

一方、Hill教授は、これらの開発はほとんど即座に波及する可能性があると付け加えた。

「電気自動車、ドローン、電子機器の市場は急成長しており、この研究は、その成長を支える製造のための商業的な準備が整っています」。

電気自動車やその他の電子機器にとって、これは何を意味するのだろうか?進歩に追いつくために、その構成は根本的に変わるのだろうか?それとも、バッテリーが変化しなければならないのだろうか?誰がこの電池の戦いに勝利するのか、そして環境問題への懸念がすべての最終決定を左右するのか、興味深いところだ。


論文

参考文献

研究の要旨

リチウム金属電池、特にリチウム硫黄化学物質は、重量貯蔵密度が向上し、遷移金属への依存度が低下する可能性があるため、エネルギー貯蔵において大きな可能性を秘めている。しかし、これらの電池は、その構造におけるリチウムの需要を下げ、多硫化物のシャトリング効果を減らすことで、実現可能性をより大きく改善することができる。リチウムコストの上昇とリサイクルの選択肢の欠如から、サイクル安定性の問題を緩和するために過剰なリチウムを使用することは最適とは言えない。ここでは、親石性で超ガラス質のナノポーラスPTMSPポリマーセパレーターをリチウム負極に直接キャストする方法について説明する。PTMSPのバイモーダルなサブオングストロームの細孔径分布は、ポリスルフィド種を選択的に除去する一方、その高い分率自由体積は、8.8×10-4 S cm-1の高いイオン伝導性を有するだけでなく、析出したリチウムの安定化マトリックスとして作用する。コーティングされたアノードは、コントロール材よりも5.7倍高密度のリチウムを示し、実用的な硫黄負荷量(4 mg cm-2)において、低N/P比(3未満)でサイクル寿命が延長(250サイクル以上)され、容量保持率とリチウム利用率の向上によるサイクル性能の改善につながった。これらの開発は、リチウム硫黄電池や他の金属リチウムシステムをより広く採用するための有望なステップである。



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