ニオブタングステン酸化物Liイオンバッテリー

Liイオンバッテリーの最大の欠点は充電時間である。特に充電の後半は速度が落ちてしまう。Liイオンバッテリーの最大出力および最小充電時間は、イオンおよび電子の両方の輸送に依存する。電気化学的に活性な粒子内のイオン拡散が、充電および放電することができる速度を制限している。

 

遅い固体中のイオン拡散を補償し、高出力および急速充電を可能にするために、活性粒子は、体積充填密度、コスト、安​​定性および持続性を損なうために、しばしば微細な構造となるが、実用的ではない。ケンブリッジ大学の研究チームは新しい結晶構造の材料を使用し、Liイオンが従来の電極材料をはるかに上回る速度で移動することを発見した(Griffith et al., Nature 559, 2018)。

ナノスケールの代替法として、ここでは、結晶学的にはそれぞれシアー構造および青銅構造をとる複合ニオブタングステン酸化物-Nb16W5O​​55およびNb18W16O93が、ニオブタングステン酸化物粒子は、構造単位がマイクロメートルのオーダーでLiイオン拡散係数は、Li4Ti5O12およびLiMn2O4のような典型的な電極材料よりも数桁高い室温値を示す。

 

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Credit: Nature

 

これらの複合酸化物は多電子レドックス反応性をもち、Liイオン移動度が高いため、非常に高い電気容量および速度性能を示す。マイクロメートルサイズの粒子を数分でLi化することができため、高出力アプリケーション、急速充電デバイス、全固体状態エネルギー貯蔵システム、電極設計および材料発見に有望な材料となる。

一般にバッテリーは、正極、負極および電解質の3つの成分からなる。充電されると、Liイオンが正極から引き抜かれ、電解質を通リ抜けて負極に移動し貯蔵される。このプロセスが速くなればなるほど、バッテリの充電が速くなる。移動時間を短縮するためには、イオンの移動距離を短くする必要があるが、ナノ粒子を使った実用的な電池を作ることは難しい。電解液との化学反応がより多く起こるため、電池の寿命が長くなるだけでなく、製造コストも高くなる。新しい材料では移動度が高いため、ミクロンサイズの粒子として使用できる。

 

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Credit: Nature

 

現在のリチウムイオン電池のほとんどの負極は、高エネルギー密度を有する黒鉛で作られている。この場合、高速充電されると、デンドライトと呼ばれる紡錘状のLi金属繊維を形成するデンドライは短絡を引き起こし、バッテリー火災に遭って爆発する可能性がある。ニオブタングステン酸化物の登場で無理なスケールダウンが必要なくなるため、安全で高速充放電できるLiイオンバッテリーが可能になるものと期待されている。

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