不規則な岩塩の研究が電池のブレークスルーにつながる | MIT ニュース

過去10年間、無秩序な岩塩は、リチウムイオン電池に使用できる画期的な正極材料として、また携帯電話から電気自動車、再生可能エネルギー貯蔵まで、あらゆるもののための低コストで高エネルギー貯蔵を実現する鍵として研究されてきました。MIT の新しい研究では、この材料がその期待に応えるものであるかどうかが検証されている。東京電力原子力工学部教授で材料科学・工学部の教授であるジュ・リー氏が率いる研究チームは、ポリアニオンを統合した新しいクラスの部分的に無秩序な岩塩カソード（無秩序岩塩ポリアニオンスピネル、またはDRXPSと呼ばれる）について説明しています。これは、高電圧で高いエネルギー密度を提供し、サイクル安定性が大幅に向上しています。「カソード材料では、エネルギー密度とサイクル安定性の間でトレードオフの関係があります。この研究では、新しいカソード化学を設計することで限界を押し広げることを目指しています」と、原子力科学工学部のポスドクであり、 本日発表された研究を説明する論文 自然エネルギー「（この）材料ファミリーは、岩塩とポリアニオンオリビンという2つの主要なカソード材料を統合しているため、エネルギー密度が高く、サイクル安定性が良好で、両方の利点を備えています。」重要なのは、この新しい材料ファミリーが主にマンガンで構成されていることだとリー氏は付け加えた。マンガンは地球上に豊富に存在する元素であり、現在カソードに一般的に使用されているニッケルやコバルトなどの元素よりも大幅に安価である。「マンガンはニッケルより少なくとも5倍安く、コバルトより約30倍安い」とリー氏は言う。「マンガンはより高いエネルギー密度を達成するための鍵の一つでもあるので、この物質が地球上にもっと豊富に存在することは大きな利点だ。」再生可能エネルギーインフラへの道筋世界が低炭素あるいは無炭素の未来に必要な再生可能エネルギーインフラの構築を目指す中、この優位性は特に重要になると、リー氏と共著者らは書いている。バッテリーは、電気自動車、バス、トラックによる輸送の脱炭素化の可能性だけでなく、余剰エネルギーを貯蔵し、再生可能エネルギーの発電量が減少する夜間や穏やかな日にそれを送電網に送り返すことで、風力や太陽光発電の断続性の問題に対処するために不可欠となるため、この構想において特に重要な部分です。コバルトやニッケルなどの材料は高価で比較的希少であるため、電力貯蔵容量を急速に拡大する取り組みは、極端なコストの急騰や深刻な材料不足につながる可能性があると研究者らは述べている。「エネルギー生成、輸送などを真に電化するには、断続的な太陽光発電や風力発電を蓄えるために地球上に豊富に存在するバッテリーが必要です」とリー氏は言う。「これはその夢への一歩だと思います。」サムスン社のナノサイエンスとナノテクノロジー研究の特別教授であり、カリフォルニア大学バークレー校の材料科学と工学の教授でもあるガーブランド・セダー氏も同じ意見だ。「リチウムイオン電池はクリーンエネルギーへの移行において極めて重要な部分です」とセダー氏は言う。「その継続的な成長と価格低下は、本研究で紹介されているように、地球上に豊富に存在する材料から作られた安価で高性能なカソード材料の開発にかかっています。」既存材料の障害を克服新しい研究は、無秩序な岩塩カソードが直面している大きな課題の 1 つである酸素の移動性に取り組んでいます。これらの材料は、1グラムあたり350ミリアンペア時という非常に高い容量を提供することで長い間認識されてきたが、従来のカソード材料の容量が通常1グラムあたり190～200ミリアンペア時であるのに対し、あまり安定していない。この高容量は、カソードが高電圧に充電されると活性化する酸素の酸化還元反応によって部分的に実現されます。しかし、その場合、酸素が移動可能になり、電解質との反応や材料の劣化を引き起こし、最終的には長期間のサイクルで事実上使用できなくなります。これらの課題を克服するために、黄氏は、本質的に接着剤のような働きをして酸素を所定の位置に保持し、劣化を軽減する別の要素、リンを追加しました。「ここでの主なイノベーション、そして設計の背後にある理論は、Yimeng が適切な量のリンを添加し、隣接する酸素原子といわゆるポリアニオンを形成し、それらを固定できる陽イオン欠乏岩塩構造にすることです」と Li 氏は説明します。「これにより、リンと酸素の強力な共有結合により、浸透する酸素輸送を基本的に停止できます。つまり、酸素による能力を活用できるだけでなく、優れた安定性も実現できます。」バッテリーをより高い電圧で充電する能力は、蓄えられたエネルギーをよりシンプルなシステムで管理できるようになるため、非常に重要であるとリー氏は言う。「エネルギーの質が高くなると言えます」と彼は言う。「セルあたりの電圧が高くなるほど、バッテリーパック内でセルを直列に接続する必要性が減り、バッテリー管理システムがシンプルになります。」将来の研究への道を示すこの研究で説明されているカソード材料はリチウムイオン電池技術に革新的な影響を与える可能性があるが、今後も研究の余地はいくつかある。黄氏は、今後の研究分野として、特に形態と拡張性を考慮した材料を製造する新しい方法を模索する取り組みを挙げる。「現在、私たちは機械化学合成に高エネルギーボールミルを使用していますが、その結果得られる形態は不均一で、平均粒子サイズが小さいです（約150ナノメートル）。この方法も、あまり拡張性がありません」と彼は言います。「私たちは、別の合成方法を使用して、より大きな粒子サイズでより均一な形態を実現しようとしています。これにより、材料の体積エネルギー密度を高めることができ、バッテリーの性能をさらに向上できるコーティング方法を検討できるようになります。もちろん、将来の方法は、産業的に拡張可能である必要があります。」さらに、同氏によると、無秩序な岩塩材料自体は特に優れた導体ではないため、導電性を高めるために相当量の炭素（カソードペーストの重量の20パーセント程度）が添加されたという。性能を犠牲にすることなく電極の炭素含有量を減らすことができれば、バッテリー内の活性物質含有量が増加し、実用的なエネルギー密度の増加につながる。「この論文では、ナノ球からなる典型的な導電性カーボンであるスーパーPを使用しましたが、これはあまり効率的ではありません」と黄氏は言います。「現在、カーボンナノチューブの使用を検討しています。これにより、炭素含有量をわずか1～2重量パーセントにまで減らすことができ、活性カソード材料の量を大幅に増やすことができます。」炭素含有量を減らすことに加え、厚い電極を作ることも、バッテリーの実際のエネルギー密度を高めるもう一つの方法だと彼は付け加えた。これは、チームが取り組んでいるもう一つの研究分野である。「これは DRXPS 研究の始まりに過ぎません。その広大な組成空間内で、ほんの数種類の化学物質を研究したに過ぎません」と彼は続けます。「リチウム、マンガン、リン、酸素のさまざまな比率や、ホウ素、シリコン、硫黄などの他のポリアニオン形成元素のさまざまな組み合わせを試すことができます。」最適化された組成、よりスケーラブルな合成方法、均一なコーティングを可能にするより優れた形態、より低い炭素含有量、より厚い電極により、DRXPS カソード ファミリーは、電気自動車やグリッド ストレージのアプリケーション、さらには体積エネルギー密度が非常に重要な民生用電子機器のアプリケーションにも非常に有望であると彼は言います。この研究は、Honda Research Institute USA Inc. およびローレンス・バークレー国立研究所の分子ファウンドリーからの資金援助を受けて行われ、ブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源 II およびアルゴンヌ国立研究所の先端光子源のリソースが使用されました。 #不規則な岩塩の研究が電池のブレークスルーにつながる #MIT #ニュース