現在までに電動化されている車両はわずか2％ですが、30年には2030％に達すると予測されています。電気自動車（EV）の商業化を改善するための鍵は、重量エネルギー密度（240キログラムあたりのワット時間で測定）を使用して高めることです。豊富で安全でリサイクルしやすい素材。 アノードのリチウム金属は、500 Wh / kgでより競争力のあるエネルギー密度に到達するための競争で、XNUMX Wh / kgのグラファイトなどの既存のオプションと比較して、EVバッテリーのエネルギー密度を改善するための「聖杯」と見なされます。
ヒューストン大学の研究者は、ライス大学の同僚とこの課題に取り組んでいます。 チームは、溶媒支援プロセスを使用して電極の微細構造を変更することにより、有機ベースの固体リチウム電池のエネルギー密度がXNUMX倍向上することを実証しました。
私たちは、鉱山で見られる希少な遷移金属をもはや必要としない、全固体電池用の低コストで地球に豊富なコバルトフリーの有機ベースのカソード材料を開発しています」とチームは述べています。 「この研究は、このより持続可能な代替手段を使用してEVバッテリーのエネルギー密度を高めるための一歩です。
電池には、負極としても知られるアノードと、正極としても知られるカソードが含まれ、これらは多孔質膜によって電池内で分離されています。 リチウムイオンは、イオン伝導体（電解質）を通って流れます。電解質は、たとえば車両の電気を生成する電子の充電と放電を可能にします。
電解質は通常液体ですが、それは必須ではありません。比較的新しい概念である固体の場合もあります。 この目新しさをリチウム金属アノードと組み合わせると、短絡を防ぎ、エネルギー密度を向上させ、より高速な充電を可能にします。
カソードは通常、容量を決定し、 電圧 コバルトのような希少な材料を使用しているため、バッテリーの中で最も高価な部分であり、65,000年には2030トンの赤字に達すると見込まれています。コバルトベースのカソードは、その優れた性能により、ほぼ独占的に全固体電池に使用されています。パフォーマンス; ごく最近、有機化合物ベースのリチウム電池（OBEM-Li）が、より豊富でクリーンな代替品として登場し、より簡単にリサイクルできるようになりました。
米国のリチウムイオン電池のサプライチェーンを取り巻く大きな懸念があります。 この研究では、研究者は、遷移金属ベースのカソードを、米国が世界最大の容量を持つ石油精製所またはバイオリファイナリーのいずれかから得られた有機材料に置き換えることによって、高エネルギー密度リチウム電池を構築する可能性を示しています。
コバルトベースのカソードは、以前の出版物でチームによって最初に実証されたOBEM-Liバッテリーと同様に、800 Wh / kgの材料レベルの比エネルギー、または電圧に容量を掛けたものを生成しますが、以前のOBEM-Liバッテリーは非理想的なカソード微細構造による活物質の低質量分率。 この上限のある総エネルギー密度。
チームは、カソード内のイオン輸送を改善するためにカソードの微細構造を最適化することにより、OBEM-Liバッテリーの電極レベルのエネルギー密度を改善する方法を明らかにしました。 これを行うために、おなじみの溶媒であるエタノールを使用して微細構造を変更しました。 使用した有機カソードは、ピレン-4,5,9,10-テトラオンまたはPTOでした。
微細構造は自然に理想的であるため、コバルトベースのカソードがしばしば好まれますが、有機ベースの全固体電池で理想的な微細構造を形成することはより困難です。
電極レベルでは、溶媒支援微細構造は、活物質の利用率を大幅に改善することにより、300 Wh / kgをわずかに下回る乾式混合微細構造と比較してエネルギー密度を180Wh / kgに増加させました。 以前は活物質の数を増やすことができましたが、利用率はまだ低く、50％近くでした。
過去XNUMX年間で、 EV バッテリーは元のコストのほぼ10％に低下し、商業的に実行可能になりました。 したがって、XNUMX年で多くのことが起こる可能性があります。 この研究は、より持続可能なEVに向けたプロセスの重要なステップであり、次のXNUMX年の研究への足がかりとなります。 このレートでは、おそらく婉曲表現と同じくらい文字通り、未来は反対側ではるかに環境に優しいように見えます。