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2024-03-25 21:06:08
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わかりました！ 電気めっきプロセス中の Li+ 迂回挙動の実験的および理論的研究。 クレジット: Nature Energy (2024)。 DOI: 10.1038/s41560-024-01488-9
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電気めっきプロセス中の Li+ 迂回挙動の実験的および理論的研究。 クレジット: Nature Energy (2024)。 DOI: 10.1038/s41560-024-01488-9
で発表された研究では、 自然エネルギー, テキサスA&M大学アーティ・マクフェリン化学工学部教授のペルラ・バルブエナ博士とホルヘ・セミナリオ博士は、量子力学を利用してリチウム金属電池に対する外部圧力の影響を理解するための新しい方法を開発しました。 圧力下でのリチウムイオンの挙動をより深く理解することで、リチウム金属電池の製造プロセスを進歩および改善し、より長持ちする、より効率的な電池技術を開発することができます。
「この研究は、第一原理による非経験的解析が巨視的プロセスの設計に及ぼす影響を見事に実証したものだ」とバルブエナ氏は語った。 「同様の方法は、化学工学、電気工学、機械工学、化学工学、電気工学、機械工学、 材料科学、生物分野。」
この研究は、エネルギー省が定めた目標の達成を支援するために、パシフィック・ノースウェスト国立研究所が主導する、より信頼性が高く高性能な自動車用バッテリーを目指した国立研究機関と学界の協力であるBattery500コンソーシアムのもとで進行中である。
リチウムイオン電池はモバイルエレクトロニクスに革命をもたらし、ナノエレクトロニクスやポケットに快適に収まるコンパクトなデバイスの開発につながりました。 での使用にもかかわらず、 スマートフォン、時計、おもちゃ、ラップトップ、電気自動車、電力網など、リチウムイオン電池は依然として多くの問題に直面していますが、最も重要な問題の 1 つは、 エネルギー密度、これはバッテリーのコンポーネントによって制限されます。
セミナリオによれば、リチウムイオン電池は、2つの重要な電極に依存してリチウムイオンを中性種に変換し、そのエネルギーを化学エネルギーとして蓄えることによって機能する。 さらに、これらの中性種をイオンに戻し、そのエネルギーを電気エネルギーとして輸送できるようにします。
最初の電極はアノード (負極) であり、リチウム イオンが最大のエネルギーを保有します。 逆に、2 番目の電極はカソード (正極) であり、リチウムイオンのエネルギーは最小になります。 このエネルギーレベルの固有の違いは、放電中にリチウムイオンがアノードからカソードに自発的に移動し、電子が外部に追従して、電力を供給する外部デバイスに電力を供給できる理由を説明しています。
現在の商用の限界を克服するための有望な手段の 1 つ リチウムイオン電池 代替素材の探索にあります。 具体的には、従来のグラファイトアノードをリチウム金属に置き換えることです。 理論的には、この置換によりアノード内のエネルギー密度が 10 倍向上する可能性があります。
ただし、リチウム金属は反応性が高いため、外部制御を適用するなどの革新的な制御手段が必要です。 プレッシャー バッテリーに。 また、外圧がセルの性能に大きな影響を与えることは知られていますが、現時点では外圧と電気メッキ (基板上のイオンの析出) との関係を調査した報告はありません。 金属表面 電場を使用する）大型パウチセル内のリチウムの使用により、全体的な性能が向上します。 さらに、バッテリーが組み立てられ、サイクルが行われると、そのコンポーネントの体積が変化し、その結果セルが膨張し、バッテリーの性能とサイクル寿命に影響を与える可能性があります。
彼らの研究は、なぜ圧力がアノード上でほぼ均一なリチウムイオン分布を達成するのに役立ち、それによって電池を短絡させる可能性がある小さな針状の構造であるデンドライトの形成を防ぐことができるのかを理解することに焦点を当てていました。 テキサス A&M チームは、理論計算技術を使用して、リチウム金属アノードに対する圧力の正確な影響を注意深く分析しました。
「量子力学的分析を使用して、カソードからアノードに移動するリチウムイオンの軌道を評価しました」とバルブエナ氏は述べた。 「リチウムイオンが析出のために到着するアノード表面は圧力効果によって変化するため、Li イオンの軌道を理解することで、その後のアノード表面での電析を予測することができます。」
この研究で得られた重要な発見は、リチウムイオンは圧力が高い領域や表面のリチウム原子の濃度が高い領域に向かって迂回する傾向を示すということです。 この動作は、リチウム金属によって生成される電界によって発生します。 アノード。
この発見により、研究者は、最先端のアプリケーションのコンポーネントとして提案されている新規材料の挙動を予測できるようになります。 このような条件下でのイオンの挙動を予測できる機能は、より安価なインフラストラクチャと製造プロセスで開発され、電池寿命が長く、機能が向上したリチウム金属電池の広範な使用への扉を開く可能性があります。
「これらの発見は、特定の特性を持つ新材料の設計分野への第一原理理論計算技術の導入を増やすため、多大な影響を及ぼします」とセミナリオ氏は述べた。 「私たちがよりクリーンでより効率的な輸送を目指す中で、これらの障害を克服することが、 電気自動車。」
詳しくは：
Dianying Liu et al、液体電解質中の高エネルギーリチウム金属パウチセルの膨張を低減するための大面積リチウム堆積の制御、Nature Energy (2024)。 DOI: 10.1038/s41560-024-01488-9
雑誌情報:
自然エネルギー
#量子力学を利用した新しい方法はリチウム金属電池の改良につながる可能性がある