Li-Sバッテリーの進歩でLiイオンバッテリーの世代交代か

2008年7月下旬、英国のソーラー・プレーンは、3日間以上連続して非公式の飛行耐久記録を樹立し、LiSバッテリーは太陽電池の使えない夜間、連続飛行を可能にしたことで注目を集めた。それから 10年後、Li-Sバッテリーの市販に漕ぎつけていない。このほどドレクセル大学の研究チームは量産を阻害している大きな障壁を取り除くことに成功した。

 

バッテリーの性能は限界に近づいたが、Liイオンバッテリーの小型化の要求が高まり、2016年にサムスンのタブレットで発生した誤動作や発火事故が問題となっている。エネルギー密度は、Liイオン電池の5〜10倍のオーダーで、動作時間が長く、安全なLi-SバッテリーでLiイオンバッテリーに置き換えることが望ましい。

問題は、数回の充放電サイクル後にLi-Sバッテリーが劣化することである。エネルギー密度を向上させるための重要な成分である硫黄は、ポリサルファイドと呼ばれる中間生成物の形で電極から移動し、この重要な成分を失い、再充電中に性能が低下することが判明した。ポリスルフィドを物理的に封じ込めるためにLi-Sバッテリーの反応を安定化させようとしてきたが、対応策でバッテリー構造が複雑になり実用的ではなかった。

 

aScheme of a Li S battery 3 copyright 2012 Nature Publishing Group b the

Credit: researchgate

 

しかしドレクセル大学の研究チームは、Li-S電池の強力なポリスルフィド固定のためのナノファイバーに安定化されたTiOによって解決できることを見出した。新しいアプローチではカソードホスト材料として、自立型のTiOナノファイバーで、ポリサルファイドを保持し、電池の優れた性能を維持しながら、量産に必要な重量および製造時間を削減することが可能になった(Wang et al., Chem. Rev. 114, 9346, 2018)。

TiO-S陰極が導電性が高く、強力な化学的相互作用を介してポリスルフィドと結合できることが判明した。この構造で何百回ものサイクルを通して優れた性能を維持しながら電池の比容量を高めることができるようになった。また、電極重量の30〜50%を占めるカソード側のバインダーと集電体を完全になくすことができ製造プロセスが簡略化された。

 

ナノファイバーマットが、バッテリーが使用されているときに発生するポリサルフィドを引き付けて保持する。ポリサルフィドをカソード構造内に保持することで、電極を分離する電解質溶液に溶解する際に発生する性能低下現象も防止する。同様なナノファイバー材料はこれまで多くの研究があり、最適な材料が模索されてきた。下図の例はカーボンナノファイバーを用いた例を示す。

Get

Credit: pubs.rsc.org

 

この研究の結果はカソードのTiOと硫黄との間に強いルイス酸 - 塩基相互作用が存在することにより、ポリサルフィドが電解液中に侵入するのを防止することを示している。これは、Li-Sバッテリーのエネルギー密度を維持するのに陰極設計が役立つことを意味し、重量と生産コストを増加させる追加材料なしで行うことができる。

183105 web

ナノファイバー電極は現在の電極よりも広い表面積を有しており、充電中の膨張に対応することができ、電池の貯蔵容量を高めることができる。それらに電解質ゲルを充填することにより、漏れ、火災、爆発の危険性を最小限に抑えた装置から可燃性成分を排除することができる。

研究チームはバインダーフリーの独立したカソード・プラットフォームを製作するのと並行して、硫黄の急速硫黄沈着技術を開発した。この手順では、わずかに加圧された140度Cで硫黄をナノファイバーマットに取り込むだけで済むため、有毒化学物質を使用する時間のかかる処理の必要性がなくなった。

研究チームは、サイクル寿命をさらに改善し、ポリスルフィドの形成を低減し、コストを削減するという目標をもって、Li-S陰極を引き続き開発する予定である。

 

 

You have no rights to post comments

スポンサーサイト

Copyright© 2013.   放射線ホライゾン rad-horizon.net   All Rights Reserved.