リチウム空気:電池のブレークスルーが説明

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より小さく、より長持ちし、より強力な電池のための探求では、科学者たちは、電池化学に多くの代替アプローチを試みてきました。 一つは、ちょうど私たちが待っている突破口を生産している可能性があります。

都市伝説は、化学者K M Abrahamが1995年に彼の研究室でテストしていた電池セルに小さな漏れがあり、予想よりもはるかに高いエネルギー含有量をセル リークを修正しようとするのではなく、エイブラハムは調査し、最初の充電式リチウム空気(Li-air)電池を発見しました。 これまでのところ、この発見は技術的に実行可能な製品につながっていませんが、ケンブリッジ大学の研究グループのScienceに掲載された論文は、それを変

2008年、Teslaは、スマートフォンからラップトップ、カメラやおもちゃに至るまで、あらゆるものに電力を供給する、既製のリチウムイオン(Li-ion)電池で走った大胆な電気ロードスター車で業界のウォッチャーを驚かせました。 それ以来、電気自動車の市場は急速に成長しているだけでなく、それらに電力を供給する電池の平均範囲も急速に成長しています。 しかし、その成長は加速する必要があります:1994年から、典型的なリチウムイオン電池のエネルギー含有量を3倍にするのに20年かかりました。

教授Gunwoo KimとClare Greyが率いる新しい研究は、一般的にLiイオン電池で使用される金属酸化物の代わりに、軽量の多孔質炭素などの電子導体のみを使用するLi-airセルを実験した。 実際に言えば、これは多くの重量を節約しますが、それ自身の困難をもたらします。

リチウム空気電池の仕組み

リチウム空気電池は、正極での酸素分子(O2)の利用可能性から電圧を生成します。 O2は正に帯電したリチウムイオンと反応して過酸化リチウム(Li2O2)を形成し、電気エネルギーを生成する。 電子は電極から引き出され、そのような電池はこれ以上Li2O2を形成することができなければ空(放電)である。

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理論的には、正極(右側)のすべての細孔が過酸化リチウムで満たされているとき、Li-air電池は空(放電)であり、ここでは上から下に充填 著者が提供した

しかし、Li2O2は非常に悪い電子導体です。 反応のために電子を供給する電極表面にLi2O2の堆積物が成長すると、反応が減衰し、最終的に反応を殺し、したがって電池の電力が失われます。 この問題は、反応生成物(この場合は過酸化リチウム)が電極の近くに貯蔵されているが、それを被覆しない場合に克服することができる。

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ケンブリッジの研究者は、標準的な電解質混合物を使用し、添加剤としてヨウ化リチウム(LI)を添加するレシピを発見しました。 チームの実験には、大きな細孔で満たされたグラフェンの多くの薄い層で作られた、かなりスポンジ状のふわふわした電極も含まれています。 最後の重要な成分は少量の水です。この化学物質の組み合わせでは、電池の放電時の反応は、電極の導電面(下の画像、左側を参照)をガンジアップするLi2O2を形成しません。

代わりに、水(H2O)から除去された水素を組み込んで水酸化リチウム(LiOH)結晶を形成する。 これらの結晶はふわふわした炭素電極の細孔の大きさを埋めるが、決定的には、電圧の供給を発生させる重要な炭素表面(右側)を被覆して遮断しない。 そのため、「促進剤」としてのヨウ化リチウム(その正確な役割はまだ明確ではありませんが)と、プロセスにおける共反応物質としての水の存在は、Li-air電池の容量を向上させます。

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過酸化リチウム(左、炭素電極をブロック)と水酸化リチウム(右、電極がブロックされていない)を放電生成物とするLi-air電池。 なお、電極細孔構造は簡略化のために描かれていない。 著者が提供

どのようにLi-Airは物事を変更しますか?

電極表面が明確に保たれることを保証するこのプロセスは、電池容量を高めるために不可欠です。 しかしながら、欠点は、電極とその容量を増大させる放電生成物との間の電気的接触の同じ欠如が、原理的には再充電を困難にすることである。

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再び、ヨウ化リチウム添加剤が必要とされる欠けている成分であることが判明しました:電極で、負に帯電したヨウ化イオンはI3(三ヨウ化)イオ これらはLiOHの水晶と結合し、分解し、気孔の除去によって完全な再充電を可能にする。/p>

リチウムエアバッテリーを充電します。 左:過酸化リチウムは炭素表面から除去する必要があります。 右:ヨウ化物と三ヨウ化物のサイクル、三ヨウ化物は化学的に水酸化リチウムを溶解し、要素を解放して再び結合して電気を生成することができます。 著者が提供した

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実際には、このメカニズムは、電極表面に取り付けられたLi2O2の充電よりもさらに効果的です。 電子はLi2O2層を通過する必要がないため、ヨウ素添加剤を使用してLi-air電池を再充電するために必要な電圧は、それを使用しない場合よりも低 従ってより少ないエネルギーはそのような李空気電池で動く電気自動車をよりエネルギー効率が良くさせる電池を再充電するために必要です。 この研究の著者らは、約90%のエネルギー効率に近づいているデータを提示しており、この新しい電池技術は従来のリチウムイオン電池のそれに近い。

彼らの調査結果は、他の多くの研究グループがあきらめている時に、Li-air技術の有望な道を明らかにしています。 より多くの研究者がこの突破口に続く主題に戻ると同時に、多分商業李空気電池は最終的に現実になります。

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Harry Hoster、エネルギーランカスターのディレクターと物理化学の教授、ランカスター大学

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