電池製造における新技術のレビュー。未来の電池に期待される技術家庭用電池の新たな開発

30.07.2019

ボルタによって発明され、ガルバーニという名前が付けられた最初の電流源を考えてみましょう。

バッテリーの電流源は酸化還元反応のみです。実際には、これらは 2 つの反応です。原子は電子を失うと酸化されます。電子を受け取ることを還元といいます。つまり、酸化還元反応は電子の流出元と電子の流入の2点で起こります。

2 つの金属 (電極) を硫酸塩の水溶液に浸します。一方の電極の金属は酸化され、もう一方の電極は還元されます。反応が起こる理由は、一方の電極の元素がもう一方の電極の元素よりも強く電子を引き付けるためです。一対の金属電極 Zn - Cu では、銅イオン (中性化合物ではない) の方が電子を引き付ける能力が大きいため、機会があれば電子はより強力なホストに向かい、亜鉛イオンはそのホストによって捕らえられます。酸性溶液を電解質（イオン伝導性物質）に注入します。電子伝達は、外部電気ネットワークを介して導体を介して実行されます。負電荷の反対方向への移動と並行して、正荷電イオン (アニオン) が電解質中を移動します (ビデオを参照)

リチウムイオン以前のすべての CIT では、電解質が進行中の反応に積極的に関与しています。
鉛蓄電池の動作原理を参照

ガルバーニの間違い

電解質は、電荷の移動がイオンによって行われる 2 番目の種類のみの電流導体でもあります。人間の体はまさに伝導体であり、陰イオンと陽イオンの動きによって筋肉が収縮します。
そこでL.ガルバーニは、天然電解質、つまり解剖されたカエルを介して誤って2つの電極を接続しました。

HITの特徴

容量 - バッテリーが完全に放電されるまで、接続されたデバイスを通過できる電子 (電荷) の数 [Q] または
バッテリー全体の容量は、カソードとアノードの静電容量、つまりアノードが放出できる電子の数とカソードが受け入れることができる電子の数によって形成されます。当然のことながら、制限されるコンテナは 2 つのコンテナのうち小さい方になります。

電圧とは電位差のことです。エネルギー特性。アノードからカソードへの移行中に単位電荷がどのようなエネルギーを放出するかを示します。

エネルギーは、特定の HIT が完全に放電されるまで実行できる仕事です。[J] または
電力 - 単位時間あたりのエネルギー出力または仕事の割合
耐久性とかクーロン効率- 充放電サイクル中に回復不能に失われる容量の割合。

すべての特性は理論的に予測されますが、考慮するのが難しい要因が多いため、ほとんどの特性は実験によって明らかにされます。したがって、化学組成に基づいて理想的なケースをすべて予測できますが、マクロ構造は容量、出力、耐久性の両方に大きな影響を与えます。

したがって、耐久性と容量は充放電速度と電極のマクロ構造の両方に大きく依存します。
したがって、バッテリーは 1 つのパラメータによってではなく、一連のパラメータ全体によって特徴付けられます。さまざまなモード。例えば、電池電圧（単位電荷移動エネルギー**）は、次の値から（材料の見通しを評価する段階で）一次近似的に推定できます。イオン化エネルギー酸化および還元中の活性物質の原子。しかし、本当の意味は化学の違いです。電位の測定および充放電曲線の記録のために、テスト電極と参照電極を備えたテストセルが組み立てられます。

電解質ベースの場合水溶液標準的な水素電極を使用します。リチウムイオン – リチウム金属の場合。

※イオン化エネルギーとは、電子と原子間の結合を切るために電子に与えなければならないエネルギーです。つまり、反対の符号を付けると結合エネルギーを表し、システムは常に結合エネルギーを最小化しようと努めます。
** 単位移動エネルギー - 1 素電荷の移動エネルギー 1.6e-19[Q]*1[V]=1.6e-19[J] または 1eV(電子ボルト)

リチウムイオン電池

<В 80-х годах литий был предложен, как перспективный материал для анода, но ввиду высокой реактивности, и неконтролируемого преобрзования анода цикл за циклом, например, приводящего к росту литиевых ”веток”, достигающих напрямую катода, что приводило к короткому замыканию во вторичных батареях решили отказаться от использования металического лития в пользу соединений лишь вмещающих ионы лития. Свойства вмещать в себя литий у графита уже были описаны. И в 1991 годы Sony выпустила литиевые батарейки с графитовым анодом под ныне общеупотребимым названием Li-ion.
すでに述べたように、リチウムイオン電池では、電解質は反応に直接関与しません。酸化と還元という 2 つの主要な反応はどこで発生するのでしょうか?また、電荷バランスはどのようにして均等化されるのでしょうか?
これらの反応は、アノード内のリチウムとカソード構造内の金属原子の間で直接発生します。上で述べたように、リチウムイオン電池の出現は、単に電極の新しい接続の発見ではなく、HIT の新しい動作原理の発見でもあります。
アノードに弱く結合した電子は、外部導体に沿ってカソードに逃げます。
カソードでは、電子が金属の軌道に落ち、実際に酸素によって金属から奪われた 4 番目の電子を補います。ここで、金属の電子が最終的に酸素と結合し、その結果生じる電場がリチウムイオンを酸素層間のギャップに引き込みます。したがって、リチウムイオン電池の膨大なエネルギーは、外部の1,2電子の復元ではなく、「より深い」電子の復元を扱うという事実によって達成されます。たとえば、コボルトの場合は 4 番目の電子です。
リチウムイオンは、周囲の酸素原子の電子雲（赤）との弱い約10kJ/molの相互作用（ファンデルワールス）により、カソードに保持されます。

Li はの 3 番目の元素であり、原子量が低く、サイズが小さいです。リチウムが始まり、さらに2列目だけであるという事実により、中性原子のサイズは非常に大きいのに対し、イオンのサイズは非常に小さく、ヘリウムおよび水素原子のサイズよりも小さいため、実用的になります。 LIB スキームでは代替不可能です。上記のもう 1 つの結果: 外側の電子 (2s1) は原子核との結合が無視できるほど小さく、簡単に失われる可能性があります (これは、リチウムが水素電極 P = -3.04V に対して最も低い電位を持つという事実で表されます)。

LIBの主要コンポーネント

電解質

従来のバッテリーとは異なり、電解液とセパレーターは反応に直接関与せず、リチウムイオンの輸送のみを保証し、電子の輸送は許可しません。
電解質の要件:
- 良好なイオン伝導性
- 低電子
- 低コスト
- 軽量
- 非毒性
- 指定された範囲の電圧および温度で動作する能力
・電極の構造変化を防ぐ（容量の低下を防ぐ）
このレビューでは、電解質のトピックは省略させていただきます。電解質は技術的に複雑ですが、私たちのトピックにとってはそれほど重要ではありません。 LiFP 6 溶液は主に電解液として使用されます。
セパレータを備えた電解質は絶対的な絶縁体であると考えられていますが、実際にはそうではありません。
リチウムイオン電池には自己放電という現象があります。それらの。リチウムイオンと電子は電解質を通ってカソードに到達します。したがって、長期保管する場合は、バッテリーを部分的に充電しておく必要があります。
動作を長期間休止すると、均一に飽和したリチウムイオンから個々のグループが放出される老化現象も発生し、濃度の均一性が崩れ、全体の容量が減少します。そのため、バッテリーを購入する際には発売日を確認する必要があります。

アノード

アノードは、「ゲスト」リチウムイオンと対応する電子の両方と弱い接続を持つ電極です。現在、リチウムイオン電池の負極用のさまざまなソリューションの開発がブームになっています。
アノードの要件

高い電子伝導性およびイオン伝導性 (高速リチウム組み込み/抽出プロセス)
低電圧試験電極（Li）付き
大きな比容量
クーロンエネルギーの原因となる、リチウムの導入および抽出中のアノード構造の高い安定性

改善方法:

負極物質のマクロ構造を変更する
物質の気孔率を減らす
新しい素材を選択します。
組み合わせた素材を使用する
電解質に隣接する相の特性を改善します。

一般に、LIB のアノードは、その構造内にリチウムを配置する方法に応じて 3 つのグループに分類できます。

アノードはホストです。黒鉛

ほとんどの人は、炭素がグラファイトとダイヤモンドという 2 つの主要な構造で固体の形で存在することを高校時代に覚えていました。これら 2 つの材料の特性の違いは顕著です。一方は透明で、もう一方は透明ではありません。 1 つの絶縁体は別の導体であり、1 つはガラスを切断し、もう 1 つは紙に消去されます。その理由は、原子間相互作用の異なる性質にあります。
ダイヤモンドは、sp3 混成により原子間結合が形成される結晶構造です。つまり、すべての結合は同じであり、3 つの 4 電子すべてが別の原子と σ 結合を形成します。
グラファイトは、層状構造と層間の弱い結合を決定する sp2 ハイブリダイゼーションによって形成されます。「浮遊」共有結合の存在により、カーボングラファイトは優れた導体になります。
グラファイトは最初であり、これまでのところ主要な陽極材料であり、多くの利点があります。
高い電子伝導性
高いイオン伝導性
リチウム原子導入時の小さな体積変形
低コスト
グラファイトは、1982 年に S. Basu によってアノード材料として最初に提案され、1985 年に A. 吉野によってリチウムイオン電池に導入されました。
当初、グラファイトは自然な形で電極に使用されており、その容量はわずか 200 mAh/g に達していました。容量を増やすための主なリソースは、黒鉛の品質の向上（構造の改善と不純物の除去）でした。実際のところ、グラファイトの特性はそのマクロ構造に応じて大きく異なり、構造内に異なる配向をした異方性粒子が多数存在すると、物質の拡散特性が著しく悪化します。エンジニアは黒鉛化度を上げようとしましたが、黒鉛化度が上がると電解質の分解が起こりました。最初の解決策は、粉砕した低黒鉛化炭素を電解液と混合して使用することで、アノード容量を 280mAh/g に増加させました (この技術は現在でも広く使用されています)。この問題は、1998 年に電解液に特殊な添加剤を導入することで克服されました。最初のサイクルの層（以下、SEI固体電解質界面と呼ぶ）により、電解質のさらなる分解が防止され、320mAh/gの人造黒鉛の使用が可能になります。現在までに、黒鉛陽極の容量は 360 mAh/g に達し、電極全体の容量は 345 mAh/g および 476 Ah/l です。

反応： Li 1-x C 6 +Li x ↔ LiC 6

グラファイト構造は 6 C あたり最大 1 個の Li 原子を受け入れることができるため、達成可能な最大容量は 372 mAh/g です (これは理論的なものというよりも、一般的に使用される数値です。これは、実際に何かが超過する最もまれなケースであるためです)実際には、リチウムイオンはセルの内部だけでなく、グラファイト粒子の亀裂にも配置される可能性があるため、理論上のものです）
1991年以降グラファイト電極は多くの変更を受けており、いくつかの特性によれば、独立した素材としての限界に達している。改善の主な分野は出力の増加です。バッテリーの放電/充電率。アノードの急速な放電/充電は、アノードを通して「引き出された」リチウムイオンによるグラファイト構造の破壊につながるため、電力を増やすという課題は同時に耐久性を高めるという課題でもあります。通常は表面積/体積比の増加に帰着する、出力を高めるための標準的な手法に加えて、結晶格子のさまざまな方向におけるグラファイト単結晶の拡散特性の研究に注目する必要があります。リチウムの拡散は 10 桁も異なる可能性があります。

K.S. ノボセロフとA.K. ガイム - 2010 年のノーベル物理学賞受賞者。グラフェンの独自利用の先駆者
ベル研究所米国特許 4,423,125
旭化成工業株式会社日本特許第1989293号
宇部興産株式会社米国特許 6,033,809
吉尾正樹、小沢明也、ラルフ・J・ブロード。リチウムイオン電池の科学と技術 Springer 2009。
グラファイトカーボンにおけるリチウムの拡散 Kristin Persson at.al. Ph. 化学。レターズ 2010/ローレンスバークレー国立研究所。 2010年
リチウム挿入グラファイト LiC6 の構造的および電子的特性、K. R. Kganyago、P. E. Ngoep Phis。 2003 年を振り返ります。
リチウムイオン電池に使用される負極活物質およびその製造方法。サムスンディスプレイデバイス株式会社 (KR) 09/923.908 2003
リチウムイオン電池の天然黒鉛アノードのサイクル性能と不可逆的な容量損失に対する電極密度の影響。シム・ジュンピョとキャサリン・A・ストリーベル

錫アノード社合金

現在、最も有望なものの 1 つは、周期表の第 14 族の元素から作られた陽極です。 30 年前でさえ、スズ (Sn) がリチウムと合金 (格子間溶液) を形成する能力についてはよく研究されていました。 Fuji が錫ベースの陽極材料を発表したのは 1995 年になってからです (たとえば、を参照)。
同じグループの軽い元素が同じ特性を持つと期待するのは論理的であり、実際、シリコン (Si) とゲルマニウム (Ge) は同一のリチウム受け入れパターンを示します。
Li 22 Sn 5、Li 22 Ge 5、Li 15 Si 4

Lix+Sn(Si,Ge)<-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
このグループの材料を使用する際の主な一般的な問題は、リチウムで飽和したとき (充電中) に体積変形が 357% から 400% と大きくなり、アノードの一部の損失による容量の大幅な損失につながることです。集電体と接触している材質。

おそらく、このグループの中で最も開発された元素はスズです。
最も重いため、より重い溶液が得られます。このようなアノードの理論上の最大容量は 960 mAh/g ですが、コンパクト (7000 Ah/l ～ 1960 Ah/l*) であるにもかかわらず、従来のカーボンアノードよりも 3 および 8 (2.7*) 優れています。それぞれ回。
最も有望なのはシリコンベースのアノードであると考えられており、理論的には (4200 mAh/g ～ 3590 mAh/g) 10 倍以上軽く、11 (3.14*) 倍コンパクト (9340 Ah/l ～2440 Ah/l*) ）グラファイトのものよりも。
Si は十分な電子伝導性とイオン伝導性を持たないため、アノード出力を高める追加の手段を探す必要があります。
Ge、ゲルマニウムは Sn や Si ほど頻繁には言及されませんが、その中間であり、大きな (1600 mAh/g ～ 2200* Ah/l) 容量と Si の 400 倍高いイオン伝導率を備えており、これは高コストを上回る可能性があります。高出力電気機器の作成

大きな体積変形に加えて、別の問題もあります。
リチウムと酸化物の不可逆反応による最初のサイクルでの容量の損失

SnO x +x2Li + -->xLi 2 O+Sn
xLi 2 O+Sn+yLi +<-->xLi 2 O+Li y Sn

どちらが大きいほど、電極と空気の接触が大きくなります（表面積が大きくなり、構造が細かくなります）。
これらの化合物の大きな可能性をある程度活用して欠点を補うことを可能にする多くのスキームが開発されています。ただし、次のような利点もあります。
これらすべての材料は現在、グラファイトと組み合わせて陽極に使用されており、特性が 20 ～ 30% 向上します。

*一般的な数値は体積の大幅な増加を考慮しておらず、活性物質の密度（リチウムで飽和する前）で動作し、したがって実際の状態を反映していないため、著者によって修正された値がマークされています。まったくの事務

ジュマ、ジャン＝クロード、リッペンス、ピエール＝エマニュエル、オリヴィエ＝フォルカデ、ジョゼット、ロバート、フロラン・ウィルマン、パトリック 2008
米国特許出願 20080003502。
ソニーのネクセリオンの化学と構造
リチウムイオン電極材料
J. ウルフェンスタイン、J. L. アレン、
J. リード、D. フォスター
陸軍研究所、2006 年。

リチウムイオン電池用の電極 - 古い問題を新しい方法で解決する
電気化学協会誌、155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒。

既存の開発

アノードの大きな変形の問題に対する既存の解決策はすべて、ただ 1 つの考慮事項に基づいています。膨張中の機械的応力の原因は、システムのモノリシックな性質です。モノリシック電極をおそらくより小さな多数の構造に分割し、各構造から独立して膨張できるようにします。他の。
1 つ目の最も明白な方法は、粒子が結合して大きな粒子になるのを防ぎ、得られた混合物を電子伝導剤で飽和させることを防ぐ、ある種のホルダーを使用して物質を単純に粉砕することです。グラファイト電極の進化においても、同様の解決策をたどることができます。この方法により、アノードの容量増加においてある程度の進歩を達成することができましたが、それにもかかわらず、検討中の材料の可能性を最大限に発揮する前に、アノードの容量（体積と質量の両方）が約 10 ～ 30% 増加しました。 (400 -550 mAh/g) 低電力時
ナノサイズのスズ粒子を（電気分解によって）黒鉛球の表面に導入する比較的初期の方法。
この問題に対する独創的でシンプルなアプローチにより、1668 Ah/l の一般的な工業生産粉末を使用して効率的なバッテリーを作成することができました。
次のステップは、マイクロ粒子からナノ粒子への移行でした。最先端の電池とそのプロトタイプは、物質の構造をナノメートルスケールで検討して形成することで、容量を 500 ～ 600 mAh/g (~600 Ah/g) まで高めることが可能になりました。 l *) 許容可能な耐久性

電極における多くの有望なタイプのナノ構造のうちの 1 つは、いわゆるナノ構造です。シェル-コア構成。コアは作動物質の小径のボールであり、シェルは粒子の合体を防ぎ、環境との電子通信を提供する「膜」として機能します。錫ナノ粒子のシェルとして銅を使用することにより、多くのサイクルにわたって、また高い充電/放電電流で高い容量 (800 mAh/g – 540 mAh/g *) を示す素晴らしい結果が示されました。カーボンシェル（600 mAh/g）と比較すると、Si-Cも同様ナノボールは活性物質のみで構成されているため、その体積容量は最も高いものの1つとして認識されるはずです（1740 Ah/l（*））

前述したように、作動流体の急激な膨張による悪影響を軽減するには、膨張のためのスペースを確保する必要があります。
過去 1 年間、研究者たちは実用的なナノ構造体、ナノロッドの作成において目覚ましい進歩を遂げました。
Jaephil Cho は、多孔質シリコーン構造を使用して、100 サイクルで 2800 mAh/g の低出力と、高出力で 2600 → 2400 を達成しました。
40 nm グラファイトフィルムでコーティングされた安定した Si ナノファイバーも同様で、200 サイクル後に 3400 → 2750 mAh/g (act. v.) を実証しました。
Yan Yao らは、中空球の形で Si を使用することを提案し、驚くべき耐久性を実現します。初期容量 2725 mah/g (わずか 336 Ah/l (*)) で、700 サイクル後の容量低下は 50% 未満です。

2011 年 9 月、バークレー研究所の科学者は、安定した電子伝導性ゲルの作成を発表しました。
それはシリコン材料の使用に革命をもたらす可能性があります。この発明の重要性を過大評価することは困難である。新しいゲルは、ホルダーと導体の両方として機能し、ナノ粒子の合体と接触の喪失を防ぐことができる。安価な工業用粉末を活物質として使用でき、開発者によれば、価格は従来のホルダーと同等だという。工業用材料(Siナノパウダー)を使用した電極により、安定した1360mAh/gと非常に高い2100Ah/l(*)を実現

*- 著者が計算した実際の容量の推定値 (付録を参照)
MS。フォスター、C.E. クルザメル、SE ウッド、J. Phys. 化学、1966
Jumas、Jean-Claude、Lippens、Pierre-Emmanuel、Olivier-Fourcade、Josette、Robert、Florent Willmann、Patrick、2008 年の米国特許出願 20080003502。
ソニーの Nexelion リチウムイオン電極材料の化学と構造 J. Wolfenstine、J. L. Allen、J. Read、および D. Foster Army Research Laboratory 2006。
Ge ナノワイヤを使用した高容量リチウムイオン電池アノード
液体媒体中でのグラファイト/スズ複合アノード材料のボールミル粉砕。柯王 2007年。
リチウムイオン電池のアノードとしての炭素質混合物上の無電解メッキスズ化合物、Journal of Power Sources 2009。
リチウムイオン電池の Sn-C 複合アノードに対するカーボンシェルの影響。キアノ・レン他アイオニクス2010。
Li Rech 用の新しいコアシェル Sn-Cu アノード。電池は酸化還元金属交換反応によって製造されます。先進的な材料。 2010年
リチウムイオン電池用アノード材料としてのコア二重シェル Si@SiO2@C ナノ複合材料 Liwei Su et al. ケムコム2010。
高容量リチウム電池電極用に調整された電子構造を備えたポリマー Gao Liu et al. 上級メーター。 2011、23、4679–4683
長いサイクル寿命を備えたリチウムイオン電池アノード用の相互接続されたシリコン中空ナノスフィア。ヤン・ヤオら。ナノレターズ2011。
リチウム二次電池用の多孔質 Si アノード材料、Jaephil Cho J. メーター。化学、2010、20、4009–4014
リチウムイオン電池の電極—電気化学協会の古い問題ジャーナルを考察する新しい方法、155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒。
Accumulateurs の修正、米国特許 8062556 2006

応用

電極構造の特殊なケース:

銅被覆Cu@Snを有するスズナノ粒子の実容量の推定

記事から、粒子の体積比は1〜3μmであることがわかります。

0.52 は粉末充填係数です。したがって、ホルダーの後ろの残りの体積は 0.48 になります。

ナノスフィア。パッキング係数。
ナノスフィアの体積容量が低いのは、スフィアの内部が中空であるため、活物質の充填係数が非常に低いためです。

単純な粉末の比較のために、0.1 であっても - 0.5...07

交換反応の陽極。金属酸化物。

有望なもののグループには、間違いなく、Fe 2 O 3 などの金属酸化物も含まれます。これらの材料は高い理論容量を備えているため、電極の活性物質の離散性を高めるためのソリューションも必要とします。これに関連して、ナノファイバーのような重要なナノ構造がここで十分な注目を集めるだろう。
酸化物は、電極構造にリチウムを含めたり排除したりする 3 番目の方法を示しています。グラファイトではリチウムが主にグラフェンの層の間に位置し、シリコンを含む溶液ではリチウムがその結晶格子に埋め込まれている場合、ここでは電極の「主」金属とゲストであるリチウムの間で「酸素交換」がむしろ起こります。電極内に酸化リチウムの配列が形成され、マトリックス内で卑金属がナノ粒子に変換されます（例えば図の酸化モリブデンとの反応を参照） MoO 3 +6Li + +6e -<-->3Li2O+Mo)
相互作用のこの性質は、電極構造内で金属イオンが容易に移動できる必要性を意味します。高拡散、つまり微粒子やナノ構造への移行

アノードのさまざまな形態、従来の方法 (活性粉末、グラファイト粉末 + ホルダー) に加えて電子通信を提供する方法について言えば、導電剤として他の形態のグラファイトを区別することもできます。
一般的なアプローチは、グラフェンと主要物質の組み合わせです。この場合、ナノ粒子はグラフェンの「シート」上に直接配置でき、作動物質の膨張中に導電体および緩衝剤として機能します。この構造は Co 3 O 4 778 mAh/g に対して提案されており、非常に耐久性があります。Fe 2 O 3 の 1100 mAh/g と同様です。
しかし、グラフェンの密度が非常に低いため、そのようなソリューションがどの程度適用可能であるかを評価することさえ困難です。
別の方法は、グラファイトナノチューブ A.C. を使用することです。ディロンら。 MoO 3 を用いた実験では、酸化アルミニウムと Fe 3 O 4 を使用せずに、酸化アルミニウムと Fe 3 O 4 でコーティングした 50 サイクル後のホルダー容量損失が 5 wt% で、800 mAh/g (600 mAh/g* 1430 Ah/l*) の高容量が示されました。ホルダー安定 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l*) 図右: アノードナノファイバー/Fe 2 O 3 とグラファイト細管 5 wt% (白色) の SEM 画像
M x O y +2yLi + +2ye -<-->yLi2O+xM

ナノファイバーについて一言

最近、ナノファイバーは材料科学出版物、特に有望な電池に関する出版物で最もホットなトピックの 1 つとなっています。これは、ナノファイバーが粒子間に良好な接続を備えた大きな活性表面を提供するためです。
当初、ナノファイバーは活物質ナノ粒子の一種として使用され、ホルダーおよび導電剤と均一に混合すると電極を形成しました。
ナノファイバーの充填密度の問題は、多くの要因に依存するため、非常に複雑です。そして、明らかに、それは意図的に実際には照らされていません（特に電極に関連して）。これだけでも、アノード全体の実際の性能を分析することが困難になります。評価的な意見をまとめるために、著者は危険を冒してバンカー内の干し草の密度の分析に特化した R.E. マックの研究を利用しました。ナノファイバーの SEM 画像から判断すると、充填密度の楽観的な分析は 30 ～ 40% となるでしょう。
過去 5 年間、集電体上で直接ナノファイバーを合成することにさらなる注目が集まっています。これには多くの重大な利点があります。
加工材料と集電体との直接接触が確保され、電解液との接触が改善され、グラファイト添加剤の必要性がなくなりました。製造のいくつかの段階が回避され、作動物質の充填密度が大幅に増加します。
K. Chan とその共著者らは、Ge ナノファイバーをテストして、低電力で 1000mAh/g (800Ah/l)、50 サイクル後に 2C で 800 → 550 (650 → 450 Ah/l *) を達成しました。同時に、Yanguang Li と著者らは、Co 3 O 4 の高容量と巨大な電力を示しました: 20 サイクル後に 1100 → 800 mAh/g (880 → 640 Ah/l *) および 600 mAh/g (480 Ah/l *) ) 電流が 20 倍増加した場合

これとは別に、バイオテクノロジーの新時代への第一歩となる A. Belcher** の感動的な作品を知るために、すべての人に注目し、推奨する必要があります。
A. ベルチャー氏は、バクテリオファージウイルスを改変することで、自然な生物学的プロセスにより、室温でバクテリオファージウイルスに基づいたナノファイバーを構築することに成功しました。このような繊維の高い構造的透明性を考慮すると、得られる電極は人体に対して無害であるだけではありません。環境だけでなく、ファイバーパッケージの圧縮と大幅に耐久性の高い動作の両方を示しています。

*- 著者が計算した実際の容量の推定値 (付録を参照)
**
アンジェラ・ベルチャーは優れた科学者 (化学者、電気化学者、微生物学者) です。特別に増殖させたウイルス培養物を使用したナノファイバーの合成と電極へのナノファイバーの配置の発明者
(インタビューを参照)

応用

前述したように、アノードは反応によって充電されます

充電中の電極の実際の膨張に関する文献は見つかっていないため、可能な限り小さな変化に基づいてそれらを推定することを提案します。つまり、反応物と反応生成物のモル体積の比 (V Lihitated - 充電されたアノードの体積、V UnLihitated - 放電されたアノードの体積) に従って、金属とその酸化物の密度は次の式で簡単に求めることができます。オープンソース。

計算式	MoO 3 の計算例

得られる体積容量は連続活性物質の容量であるため、構造の種類に応じて、活性物質が材料全体の体積の異なる割合を占めることを念頭に置く必要があり、これが考慮されます。充填係数 k p を導入することによって。例えば粉末の場合は50～70％

リチウム二次電池用の可逆性の高い Co3O4/グラフェンハイブリッドアノード。 H.キムら。カーボン49(2011) 326 –332
リチウムイオン電池用の高性能負極材料としてのナノ構造還元酸化グラフェン/Fe2O3複合材料。アクスナノ VOL. 4 ▪ いいえ。 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
ナノ構造の金属酸化物アノード。 A.C.ディロン。 2010年
バンカーサイレージ密度の新しい見方。 R.E.マック。米国酪農飼料研究センター、ウィスコンシン州マディソン、マディソン
Ge ナノワイヤを使用した高容量リチウムイオン電池アノード K. Chan et. アル。ナノレターズ 2008 Vol. 8、いいえ。 1 307-309
高容量と高レート性能を備えたリチウムイオン電池用のメソポーラス Co3O4 ナノワイヤーアレイ。ヤングアン・リーらアル。ナノレターズ 2008 Vol. 8、いいえ。 1 265-270
ウイルスを利用したリチウムイオン電池電極用ナノワイヤの合成と組み立て Ki Tae Nam、Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org /06 4 月 2006 / ページ 1 / 10.1126/science.112271
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自己組み立て型、柔軟かつ軽量のリチウム電池 MIT 用ウイルス足場、Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

リチウムイオンHIT。カソード

リチウムイオン電池の正極は、主にリチウムイオンを受け入れ、高電圧を供給できなければなりません。これは、容量とともに高エネルギーを意味します。

リチウムイオン電池の正極の開発と生産において、興味深い状況が生じています。 1979 年、ジョングッドイナフと水内公一は、LiMO2 などの層状構造を備えたリチウムイオン電池の正極の特許を取得しました。この正極は、既存のほぼすべてのリチウムイオン電池の正極をカバーしています。
正極の重要な要素
酸素は接続リンク、橋として機能し、リチウムを電子雲に「くっつく」こともあります。
遷移金属 (つまり、価数 d 軌道を持つ金属) は、異なる数の結合を持つ構造を形成できるためです。最初のカソードでは TiS 2 硫黄が使用されていましたが、その後、よりコンパクトで、最も重要なことに、金属とほぼ完全にイオン結合を与える、より電気陰性度の高い元素である酸素に切り替えられました。 LiMO 2 (*) の層状構造が最も一般的であり、すべての開発は 3 つの候補 M=Co、Ni、Mn を中心に展開されており、常に非常に安価な Fe に注目しています。

コバルト多くのことに反して、オリンパスはすぐに捕らえられ、今でもそれを保持しています（陰極の90％）が、140 mAh / gからの層構造の高い安定性と正確さのおかげで、LiCoO 2 の容量は160-170 mAh /に増加しました。 g、電圧範囲の拡大による。しかし、Coは地球上で希少であるため高価すぎ、純粋な形での使用は、例えば携帯電話用の小型電池でのみ正当化されます。市場の 90% は、最初の、そして現時点ではまだ最もコンパクトなカソードによって占められています。
ニッケルは、190mA/g という高い値を示し、今も昔も有望な材料ですが、安定性ははるかに低く、このような層状構造は純粋な形では Ni には存在しません。 LiNiO 2 からの Li 抽出では、LiCoO 2 からのほぼ 2 倍の熱が発生するため、この分野での使用は受け入れられません。
マンガン。よく研究されているもう 1 つの構造は、1992 年に発明されたものです。 Jean-Marie Tarasco、酸化マンガンスピネルカソード LiMn 2 O 4: 容量がわずかに低いこの材料は、LiCoO 2 や LiNiO 2 よりもはるかに安価で、はるかに信頼性が高くなります。現在、これはハイブリッド車にとって良い選択肢です。最近の開発には、ニッケルとコバルトの合金化が含まれており、これにより構造特性が大幅に向上します。Ｎｉに電気化学的に不活性なＭｇ、ＬｉＮｉ１－ｙＭｇｙＯ２をドープした場合にも、安定性の顕著な改善が認められた。Ｌｉイオン正極として知られているＬｉＭｎｘＯ２ｘ合金が数多くある。
根本的な問題- 容量を増やす方法。容量を増やす最も明白な方法は周期表を上に移動することであることは、スズとシリコンですでに見てきましたが、残念ながら、現在使用されている遷移金属を超えるものはありません (右の図)。したがって、陰極に関する近年の進歩は一般に、耐久性の向上、品質の向上、それらの組み合わせの研究など、既存の陰極の欠点の解消に関連しています（上の左図）。
鉄。リチウムイオン時代の始まり以来、カソードに鉄を使用する試みが数多く行われてきましたが、すべて成功していません。 LiFeO2 は理想的な低コスト、高出力のカソードですが、通常の電圧範囲では構造から Li を抽出できないことがわかっています。 1997 年にオリビン LiFePO 4 の e/c 特性が研究されたことで、状況は根本的に変わりました。リチウムアノードで約 3.4V の高容量 (170 mAh/g) を実現し、数百サイクル後でも容量が大幅に低下しません。長い間、カンラン石の主な欠点は導電率が低く、電力が大幅に制限されることでした。この状況を修正するために、グラファイトを含むゲルを使用する古典的な手順 (グラファイトコーティングによる研磨) が取られ、800 サイクルで 120mAh/g の高出力を達成することができました。 Nb ドーピングをごくわずかに抑えることで、導電率が 8 桁も向上し、本当に大きな進歩が達成されました。
すべては、オリビンが電気自動車用の最も普及した材料になることを示唆しています。 A123 Systems Inc.はここ数年、LiFePO 4 の権利の独占的所有権を求めて訴訟を起こしている。ブラック・アンド・デッカー社は、それが電気自動車の未来であると信じているのには理由がないわけではありません。驚かないでください。しかし、特許はすべて同じカソードキャプテン、ジョン・グッドイナフに発行されています。
オリビンは安価な材料を使用できる可能性を証明し、プラチナの一種を突破しました。エンジニアリングの思考は、結果として得られた空間に即座に突入しました。たとえば、硫酸塩をフルオロリン酸塩に置き換えることが現在活発に議論されており、これにより電圧が 0.8 V、つまり 0.8 V 増加します。エネルギーとパワーが 22% 増加します。
面白いことに、カンラン石の使用権について論争がある一方で、多くの無名メーカーが新しい正極の要素を提供していることに遭遇しました。

※これらの化合物はいずれもリチウムと一緒にのみ安定に存在します。したがって、彼らはすでにそれに飽和しています。したがって、それらに基づいてバッテリーを購入する場合は、まずリチウムの一部をアノードに移してバッテリーを充電する必要があります。
** リチウムイオン電池の正極の開発を理解すると、あなたは思わずそれを 2 人の巨人、ジョングッドイナフとジャンマリータラスコの間の決闘のように認識し始めます。グッドイナフ氏が 1980 年に最初に根本的に成功した正極 (LiCoO 2) の特許を取得した場合、トラスコ博士は 12 年後に応答しました (Mn 2 O 4)。アメリカ人の 2 番目の基本的な成果は 1997 年 (LiFePO 4) であり、過去 10 年間の半ばにはフランス人はそのアイデアを拡張し、LiFeSO 4 F を導入し、完全な有機電極の使用に取り組んでいました。
もういいよ、J.B.。ミズチマ, K.U.S. 特許第 4,302,518 号、1980 年。
もういいよ、J.B.。アメリカ・水島特許第 4,357,215 号、1981 年。
リチウムイオン電池の科学と技術。吉尾正樹、ラルフ・J・ブロード、小沢明也
ＬｉＭｎ2 Ｏ4 層間化合物の調製方法および二次リチウム電池におけるその使用。バルブー。フィリップ・ショクーヒ。 Frough K.、タラスコン。ジャン・マリー。株式会社ベルコミュニケーションズ総合研究所 1992 年の米国特許第 5,135,732 号。

化学量論的二硫化チタンのウィッティンガムを陰極とした充電式電気化学セル。 M・スタンレー。米国特許 4,084,046 1976
カンノ・Ｒ．白根哲也；稲葉裕也; 川本、Y.J. パワーソース 1997、68、145。
リチウム電池と正極材料。 M. スタンレーウィッティンガム Chem. 牧師 2004, 104, 4271−4301
リチウムイオン電池用の 3.6 V リチウム系フッ化硫酸塩挿入正極。 N. Recham1、J-N. Chotard1、L. Dupont1、C. Delacourt1、W. Walker1,2、M. Armand1、J-M. タラスコン。ネイチャーマテリアル 2009 年 11 月。

応用

カソードの容量は、物質の重量あたりの最大抽出電荷として再び決定されます。たとえば、
Li 1-x MO 2 +Li + +e - ---> Li x MO 2

たとえばCoの場合

抽出度 Li x=0.5 では、物質の容量は次のようになります。

の上この瞬間技術プロセスの改善により、抽出度が向上し、160mAh/g に達することが可能になりました。
しかし、もちろん、市場に出回っているほとんどの粉末はこれらの指標を達成していません。

オーガニックの時代。
レビューの開始時に、私たちは環境汚染の削減を電気自動車への移行における主な動機付け要因の 1 つとして挙げました。しかし、たとえば現代の場合を考えてみましょう。ハイブリッドカー：確かに燃えますね燃料が少なくなるただし、1 kWh のバッテリーの製造では、約 387 kWh の炭化水素が燃焼します。もちろん、そのような車は汚染物質の排出量が少なくなりますが、生産中の温室効果ガス（1kWhあたり70〜100kgのCO 2 ）から逃れることはできません。さらに、現代の消費社会では、資源が枯渇するまで物品は使用されません。つまり、このエネルギーローンを「返済」する時間が短く、最新のバッテリーをリサイクルするには費用がかかり、どこでも利用できるわけではありません。したがって、エネルギー効率は、現代のバッテリーまだ疑問があります。
最近、室温での電極合成を可能にするいくつかの有望なバイオテクノロジーが登場しました。 A. ベルチャー (ウイルス)、J.M. タラスコ（バクテリアの使用）。

このような有望な生体材料の優れた例は、リチウム化オキソカーボン - Li 2 C 6 O 6 (ラジソン酸リチウム) です。これは、式ごとに最大 4 つの Li を可逆的に収容する能力を持ち、大きな重量測定容量を示しましたが、還元が伴うため、パイ結合を使用すると、-電位がわずかに低くなります (2.4 V)。同様に、他の芳香環も正極の基礎として考えられており、これも電池の大幅な軽量化を報告しています。
いずれの場合も主な「欠点」は、有機化合物すべての有機化学は軽元素 C、H、O、N を扱うため、密度は低くなります。この方向性がどれほど有望であるかを理解するには、これらの物質がリンゴやトウモロコシから得られ、簡単に廃棄、リサイクルできるというだけで十分です。
ラジゾン酸リチウムは、電流密度（電力）が限られていない限り、自動車産業にとって最も有望な正極であり、材料の低密度（体積容量が低い）がない限り、ポータブル電子機器にとって最も有望な正極であるとすでに考えられています（図1）。左に）。それまでのところ、これはまだ最も有望な研究分野の 1 つにすぎません。

モバイルデバイス

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「量子」電池

2月26日から28日まで、東京ではマイクロニクス・ジャパン株式会社などが参加するストレージ展示会が開催される。株式会社彼女のこれまでの開発についてはほとんど知られていないが、つい最近、新しいタイプの層状電池を開発し、生産の準備をしたと発表した。同社が実証している単セルは、絶縁膜で被覆された二酸化チタン、二酸化錫、酸化亜鉛の粒子を用いたn型金属酸化物半導体膜である。試作品はシートを使用ステンレス鋼の厚さは10ミクロンですが、すぐにアルミニウムに置き換わります。

開発者は、化学的性質ではなく物理的性質を強調するために、バッテリーに量子という名前を付けました。バッテリーはエネルギーを蓄積するためにイオンではなく電子を使用しますが、その動作はコンデンサーとは異なります。このシステムは、半導体の「バンドギャップ」に電子を蓄積することに基づいていると言われています。

金属酸化物半導体構造を製造するとき、記憶装置の電荷層は紫外線で照射されます。製造後、充電する際、電子は作業材料の自由エネルギー準位を占め、バッテリーの放電が必要になるまでそこに保管されます。その結果、非常に高いエネルギー貯蔵密度を備えた充電式バッテリーが誕生しました。
テストサンプルがどのような指標を持っているかは不明ですが、開発者は、近い将来に登場する製品サンプルは最大500 Wh / lの容量を持ち、最大8,000 Wのピーク電力を生成できると述べています体積1リットルあたり。
このようなドライブが組み合わさって、最高の機能バッテリーとスーパーキャパシタ。たとえ小さな容量であっても、高いピーク電力を生成することができます。このようなドライブから取り出される電圧は、放電しても低下せず、最後まで安定したままになります。
宣言された動作温度範囲は -25 ～ +85 °C です。バッテリーは、容量が元の 90% を下回るまでに 10 万回の充放電サイクルを受ける可能性があります。エネルギーを素早く吸収して放出する機能により、充電時間が大幅に短縮されます。さらに、このようなバッテリーは耐火性があります。希少または高価な材料は製造に使用されていません。一般に、信じられないほど多くの利点があります。

自己充電バッテリー

ジョージア工科大学（米国）のZhong Lin Wang氏率いる研究グループは、充電するためにコンセントに接続する必要のない自己充電式バッテリーを開発した。
デバイスは次から充電されます機械的衝撃、というかプレスから。スマートフォンやその他のタッチデバイスでの使用が計画されています。
開発者は電卓のキーの下にデバイスを置き、ボタンを押すエネルギーを利用して一日中確実に動作させることができました。

バッテリーは、厚さ数百マイクロメートルのポリフッ化ビニリデンとチタン酸ジルコン酸鉛のフィルムで「周囲」を覆っています。押すと、圧電効果によりリチウムイオンが陰極から陽極に移動します。プロトタイプの効率を高めるために、研究者らはその圧電材料にナノ粒子を追加して、対応する効果を高め、デバイスの容量と充電速度の大幅な増加を達成しました。
バッテリーは不透明なので、ボタンの下または画面の下にのみ配置できることを理解する必要があります。
このバッテリーには、前述のデバイスのような傑出した特性はありません (現在、マザーボード用の標準的な「タブレット」サイズのバッテリーの容量は、初期の 0.004 mAh から 0.010 mAh に増加しています)。しかし、開発者は、引き続きその改良に取り組むことを約束しています。効率。開発者がバッテリーを配置することを計画している主要なデバイスであるフレキシブルスクリーンはまだ十分に普及していませんが、工業デザインはまだ遠いです。発明を完成させて製品化する時間はまだあります。

砂糖ベースのバッテリー

電池の開発に携わっているのはアジア人だけのようです。別の珍しい電池のプロトタイプがアメリカのバージニア工科大学で作成されました。

このバッテリーは本質的に砂糖、より正確にはデンプンの加水分解から得られる多糖類であるマルトデキストリンで動作します。このような電池の触媒は酵素です。現在従来の電池に使用されているプラチナよりもはるかに安価です。この電池は酵素燃料電池の一種です。ここでは、酸素、空気、水の反応によって電気が生成されます。水素燃料電池とは異なり、酵素は不燃性かつ非爆発性です。開発者によれば、バッテリーのリソースが使い果たされた後は、再び砂糖を補充できるという。
について技術仕様このタイプの電池についてはまだほとんどわかっていません。エネルギー密度が従来のリチウムイオン電池よりも数倍高いとだけ述べられています。このような電池のコストは従来のものよりも大幅に低いため、開発者らは今後3年以内に商用利用できると確信している。約束されたことを待ちましょう。

ガーネット構造のバッテリー

しかし、スタンフォード大学のアメリカ国立加速器研究所SLACの科学者たちは、ガーネットの構造を利用して従来の電池の体積を増やすことを決定しました。

開発者はアノードのサイズを可能な限り縮小し、それぞれをカーボンシェル内に配置しました。これは、それらの破壊を防ぐのに役立ちます。帯電プロセス中に、粒子は膨張してクラスターに結合し、クラスターもカーボンシェル内に配置されます。このような操作の結果、これらの電池の容量は従来のリチウムイオン電池の容量よりも10倍大きくなりました。
実験によると、1000 回の充放電サイクル後も、バッテリーは元の容量の 97% を保持していることがわかります。
しかし、この技術の商業応用について話すのは時期尚早です。シリコンナノ粒子は製造コストが高すぎ、そのような電池を作成するプロセスは複雑すぎます。

原子力電池

そして最後に開発の様子をお伝えします イギリスの科学者。彼らは小型原子炉を作ることで同僚たちを出し抜くことに決めました。サリー大学の研究者がトリチウムを使用して作成したプロトタイプの核電池は、携帯電話を20年間稼働させるのに十分なエネルギーを生成します。確かに後で充電することはできません。

集積回路であるバッテリー内で核反応が起こり、0.8～2.4ワットのエネルギーが生成されます。作業温度バッテリーの範囲は -50 ～ +150 です。同時に彼女は恐れていません急激な変化温度と圧力。
開発者らは、バッテリーに含まれるトリチウムは人間にとって危険ではないと主張している。そこにはコンテンツがほとんどありません。ただし、約大量生産このような電源について話すのは時期尚早です。科学者にはまだ多くの研究とテストが必要です。

結論

もちろん、上記の技術のすべてが応用できるわけではありませんが、今後数年のうちにバッテリー生産技術にブレークスルーが起こるはずであり、それには電気自動車の普及と生産の急増が伴うことを理解する必要があります。スマートフォンなどの電子デバイス新しいタイプ。

想像する携帯電話、1 週間以上充電を保持し、その後 15 分で充電します。素晴らしい？しかし、ノースウェスタン大学（米国イリノイ州エバンストン）の科学者らによる新しい研究のおかげで、それが現実になる可能性があります。エンジニアのチームは、エネルギー容量を 10 倍に増やすことができるリチウムイオン充電式バッテリー (今日のほとんどの携帯電話に使用されている) 用の電極を開発しました。これ楽しい驚き制限なし - 新しいバッテリーデバイス現在のものより10倍速く充電できます。

課せられた制限を克服するために既存技術バッテリーのエネルギー容量と充電速度に関して、科学者は 2 つの異なる化学技術的アプローチを使用しました。その結果得られるバッテリーは、小型電子機器 (電話やラップトップなど) の寿命を延ばすだけでなく、電気自動車用のより効率的でコンパクトなバッテリーの開発への道を切り開くことになります。

「新しいリチウムイオン電池の充電保持時間を10倍に延長する方法を発見しました」と、この研究の筆頭著者の1人であるハロルド・H・クン教授は述べた。「150回の充放電セッション後でも、これは少なくとも1年間の動作を意味し、今日市場に出ているリチウムイオン電池よりも5倍の効果を維持します。」

リチウムイオン電池の動作は、リチウムイオンが電池の両端にあるアノードとカソードの間を移動する化学反応に基づいています。バッテリーの動作中、リチウムイオンはアノードから電解質を通ってカソードに移動します。充電すると、方向が真逆に変わります。現在のバッテリーには 2 つの重要な制限があります。エネルギー容量、つまりバッテリーが充電をどれだけ長く保持できるかは、充電密度、つまりアノードまたはカソードにどれだけ多くのリチウムイオンを収容できるかによって制限されます。同時に、このような電池の充電速度は、リチウムイオンが電解質を通ってアノードに移動できる速度によって制限されます。

現在の充電式電池では、複数のグラフェンシートで作られたアノードには、（グラフェンが作られる）6 個の炭素原子ごとに 1 個のリチウム原子しか含まれていない可能性があります。電池のエネルギー容量を増やす試みとして、科学者たちはすでに炭素をシリコンに置き換える実験を行っている。シリコンはより多くのリチウムを保持できる、すなわちシリコン原子1個につきリチウム原子4個を保持できる。ただし、シリコンは充電中に急激に膨張および収縮するため、負極物質の断片化が発生し、その結果、バッテリーの充電容量が急速に低下します。

現在低速バッテリーの充電はグラフェンシートの形状によって説明されます。厚さ (わずか 1 原子) に比べて、その長さは法外に長いことが判明しました。充電中、リチウムイオンはグラフェンシートの外縁まで移動し、その後グラフェンシートの間を通過して内部のどこかで停止する必要があります。リチウムはグラフェンシートの中央まで到達するのに時間がかかるため、その端にイオン詰まりのようなものが観察されます。

すでに述べたように、Kung の研究グループは 2 つの異なるテクノロジーを使用してこれらの問題の両方を解決しました。まず、シリコンの安定性を確保し、最大のバッテリー充電容量を維持するために、グラフェンシートの間にシリコンクラスターを挟みました。これにより、電極内のリチウムイオンの数を増やすと同時に、グラフェンシートの柔軟性を利用して電池の充放電プロセス中のシリコン体積の変化に対応することが可能になりました。

「今では一石二鳥です」とクン氏は言う。「シリコンを使用すると、より高いエネルギー密度が得られ、層の交互構造によりシリコンの膨張と収縮によって生じる電力損失が減少します。たとえシリコンクラスターが破壊されても、シリコンそのものは消えません。」

さらに、研究者らは化学酸化プロセスを使用してグラフェンシートに極小（10～20ナノメートル）の穴（「面内欠陥」）を作成し、リチウムイオンがアノードに「迅速にアクセス」し、結果としてそこに蓄積できるようにした。シリコンとの反応です。これにより、バッテリーの充電に必要な時間が 10 分の 1 に短縮されました。

これまでのところ、バッテリーの性能を最適化するためのすべての取り組みは、そのコンポーネントの 1 つであるアノードに焦点を当ててきました。研究の次の段階では、科学者らは同じ目的でカソードの変化を研究する予定だ。彼らはまた、高温時にバッテリーが自動的に（そして可逆的に）シャットダウンできるように電解質システムを修正したいと考えている。これは、電気自動車でバッテリーを使用するときに役立つ可能性がある同様の安全機構である。

開発者によると、現在のフォーム新技術今後 3 ～ 5 年以内に市場に投入されるはずです。新しい電池の研究開発結果に関する論文が、Advanced Energy Materials 誌に掲載されました。

質問を読むと トルドノピサカ :

「大量生産に向けて準備が進められている新しいバッテリー技術について学ぶのは興味深いでしょう。"

まあ、もちろん量産の基準は若干緩いですが、現時点で有望なものを探してみましょう。

化学者たちが考え出したのは次のとおりです。

ボルト単位のセル電圧 (垂直) および比カソード容量 (mAh/g) 新しいバッテリー製造直後（I）、最初の放電（II）、および最初の充電（III）（図：Hee Soo Kim et al./Nature Communications）。

潜在エネルギーの点では、マグネシウムと硫黄を組み合わせた電池はリチウム電池を上回る性能を発揮します。しかしこれまで、これら 2 つの物質をバッテリーセル内で一緒に機能させることができた人はいませんでした。さて、いくつかの留保はあるものの、米国の専門家グループが成功しました。

トヨタの科学者研究機関 V 北米(TRI-NA) を解決してみました主な問題、マグネシウム硫黄電池（Mg/S）の作成を妨げています。

パシフィック・ノースウェスト国立研究所から調製されました。

ドイツ人がフッ化物イオン電池を発明した

電気化学電流源の全軍に加えて、科学者は別のオプションを開発しました。記載されている利点は、火災の危険性が低く、リチウムイオン電池よりも比容量が 10 倍大きいことです。

カールスルーエ工科大学 (KIT) の化学者たちは、金属フッ化物をベースにした電池の概念を提案し、いくつかの小さな実験室サンプルもテストしました。

このような電池では、フッ素アニオンが電極間の電荷の移動に関与します。バッテリーのアノードとカソードには金属が含まれており、電流の方向（充電または放電）に応じて、交互にフッ化物に変換されるか、還元されて金属に戻ります。

「単一の金属原子は一度に複数の電子を受け入れたり供与したりできるため、この概念により、従来のリチウムイオン電池の最大10倍という非常に高いエネルギー密度が可能になります」と共著者のマクシミリアン・フィクトナー博士は述べています。

このアイデアをテストするために、ドイツの研究者は、直径 7 ミリメートル、厚さ 1 ミリメートルのそのような電池のサンプルをいくつか作成しました。著者らは、電極用のいくつかの材料（たとえば、炭素と組み合わせた銅とビスマス）を研究し、ランタンとバリウムをベースにした電解質を作成しました。

しかし、このような固体電解質は中間段階にすぎません。フッ素イオンを伝導するこの組成物は、次の場合にのみ効果を発揮します。高温。したがって、化学者はそれに代わるもの、つまり室温で作用する液体電解質を探しています。

(詳細については、同研究所のプレスリリースおよびJournal of Materials Chemistryの記事を参照してください。)

未来の電池

バッテリー市場の将来がどうなるかを予測するのは困難です。リチウム電池は依然として王者であり、リチウムポリマーの開発のおかげで優れた可能性を秘めています。銀と亜鉛の要素の導入は非常に時間と費用がかかるプロセスであり、その実現可能性については依然として議論の余地がある。燃料電池とナノチューブ技術は長年にわたって賞賛され、最も美しい言葉で説明されてきましたが、実際の製品となると、大きすぎるか、高価すぎるか、あるいはその両方です。 1 つだけ明らかなことは、ポータブルデバイスの人気が飛躍的に高まっているため、今後数年間、この業界は積極的に発展し続けるだろうということです。

ラップトップと並行して、自律運転、デスクトップラップトップの方向性は発展しており、バッテリーはむしろバックアップUPSの役割を果たします。サムスンは最近、バッテリーをまったく搭載していない同様のラップトップをリリースしました。

で ニカド- バッテリーも電気分解の可能性があります。爆発性の水素が電池内に蓄積するのを防ぐために、電池には微細なバルブが取り付けられています。

有名な研究所で マサチューセッツ工科大学最近開発された独自の技術生産リチウム電池特別に訓練されたウイルスの努力によって。

それでも燃料電池外見的には、従来のバッテリーとはまったく異なり、同じ原理で動作します。

他に誰が有望な方向性を提案できるだろうか？

200 年以上前、世界初の電池はドイツの物理学者ヴィルヘルムリッターによって作成されました。当時すでに存在していたA.ボルタのバッテリーと比較すると、ヴィルヘルムの蓄電装置は繰り返し充電と放電が可能でした。 2 世紀にわたって、電池は大きく変化しましたが、「車輪」とは異なり、今日に至るまで発明され続けています。今日、バッテリー生産における新技術は、次のような技術の出現によって左右されています。最新のデバイス、自律的な電源供給が必要です。新しい強力なガジェット、電気自動車、飛行ドローン - これらすべてのデバイスには、小型、軽量でありながら、より大容量で耐久性のあるバッテリーが必要です。

電池の基本構造を一言で説明すると、電極と電解質です。電池の特性を決定し、その種類を決定するのは、電極の材料と電解液の組成です。現在、33 種類以上の充電式電源がありますが、最もよく使用されているものは次のとおりです。

鉛酸;
ニッケルカドミウム。
ニッケル水素；
リチウムイオン。
リチウムポリマー;
ニッケル亜鉛。

それらのいずれの仕事も可逆的な化学反応です。つまり、放電中に発生した反応が充電時に復元されます。

バッテリーの適用範囲は非常に広く、バッテリーから電力を供給されるデバイスの種類に応じて、バッテリーに特定の要件が課されます。たとえば、ガジェットの場合は、軽くて最小限のサイズで、十分な容量が必要です。大容量。電動工具や飛行ドローンの場合、消費電力が大きいため、出力電流が重要です。電流かなり高い。同時に、すべてのバッテリーに適用される要件があります。これらは、高容量と充電サイクルのリソースです。

世界中の科学者がこの問題に取り組んでおり、多くの研究とテストが行われています。残念ながら、優れた電気的および動作上の結果を示した多くのサンプルは、コストが高すぎることが判明し、量産には投入されませんでした。大量生産。と技術面, 最高の素材電池の製造には銀や金が使用されますが、経済的な観点から見ると、そのような製品の価格は消費者にとって手の届かないものになります。同時に、新しいソリューションの模索は止まらず、最初の重要な進歩はリチウムイオン電池でした。

1991年に初めて導入されました日本企業ソニー。このバッテリーは高密度で自己放電が少ないことが特徴でした。しかし、彼女には欠点がありました。

このような電源の第一世代は爆発的なものでした。時間の経過とともに、樹枝状結晶がアノードに蓄積し、短絡と火災が発生しました。改良の過程で、次世代ではグラファイト陽極が使用され、この欠点は解消されました。

2 番目の欠点はメモリ効果でした。不完全な充電が続くと、バッテリーの容量が失われます。この欠点を解消するための作業が追加されました新しいトレンド小型化への欲求。超薄型のスマートフォン、ウルトラブック、その他のデバイスを作成したいという欲求には、新しい電源を開発するための科学が必要でした。さらに、すでに時代遅れのリチウムイオン電池は、より高密度で高出力電流を備えた新しい電源を必要とするモデラーのニーズを満たしていませんでした。

その結果、リチウムイオンモデルには高分子電解質が採用され、予想を上回る効果が得られました。

改良されたモデルにはメモリー効果がなかっただけでなく、あらゆる点で前モデルよりも何倍も優れていました。厚さわずか1mmの電池を初めて作ることができた。さらに、その形式は非常に多様になる可能性があります。このようなバッテリーは、モデラーと携帯電話メーカーの両方の間ですぐに大きな需要を持ち始めました。

しかし、まだ欠点がありました。このエレメントは火災の危険性があることが判明し、再充電中に高温になり、発火する可能性がありました。最新のポリマー電池には、過充電を防止する回路が組み込まれています。特別な充電器のみで充電することをお勧めします。充電器、キットまたは類似のモデルに含まれています。

劣らず重要な特性バッテリー - コスト。今日はこれが一番大問題電池開発の途上。

電気自動車の電源

テスラモーターズは、コンポーネントに基づいた新技術を使用してバッテリーを作成します商標パナソニック。その秘密はまだ完全には明らかにされていませんが、テスト結果は有望です。エコモバイルテスラモデルわずか85kWhのバッテリーを搭載したSは、1回の充電で400km強を走行できた。もちろん、世界には好奇心旺盛な人々がいないわけではないので、45,000 ドル相当のこれらのバッテリーの 1 つがついに開封されました。