バッテリー内部を精密追跡する新手法：次世代エネルギー解決策を推進

モビリティの未来は電気自動車、トラック、飛行機です。しかし、単一のバッテリー設計でその未来を支えることはできません。スマートフォンやノートPCのバッテリーでさえ、異なる要件と異なる設計を持っています。今後数十年にわたり必要とされるバッテリーは、それぞれの特定用途に合わせて調整される必要があります。つまり、各タイプのバッテリー内部で何が起きているかを可能な限り正確に理解することが求められます。

すべてのバッテリーは同じ原理で動作します。電気的電荷を持つ原子や分子であるイオンが、電解質と呼ばれる物質を通じて陽極から陰極へ電流を運び、また戻ります。しかし、液体であれ固体であれ、電解質内でのイオンの正確な動きは数十年にわたり科学者を悩ませてきました。異なる種類のイオンが異なる種類の電解質をどのように移動するかを正確に知ることで、研究者たちはその動きに影響を与え、特定用途に最も適した方法で充放電するバッテリーを作る方法を見つけられるでしょう。

科学者チームは、バッテリー内を移動するイオンを精密に測定できる技術の組み合わせを実証しました。異なる実験手法の組み合わせでイオンの速度と濃度を測定し、それら両方を理論と比較します。それらの手法には、超高輝度X線を用いてバッテリー内を移動するイオンの速度を測定し、モデルバッテリーが放電している間に電解質内のイオン濃度を同時に測定することが含まれます。研究チームはその結果を数学モデルと比較しました。その結果、イオンによって運ばれる電流、いわゆる輸数を表す極めて正確な数値が得られました。

輸数は、正に帯電したイオンが運ぶ電流の全体電流に対する割合であり、チームの計算では約0.2となりました。この結論は、イオン移動の測定におけるこの新しい方法の感度の高さにより、他の方法で導かれたものとは異なります。

この実験では、リチウムイオン電池で広く使用されている液体電解質の代わりに、固体ポリマー電解質を使用しました。ポリマーは、一部の液体電解質の可燃性問題を回避できるため、より安全です。

これまで、バッテリーの内部動作を研究する最良の方法は、電流を流して事後に何が起きたかを分析することでした。リアルタイムでイオンの動きを追跡できる能力は、科学者たちにその動きをバッテリー設計ニーズに合わせて変える機会を与えます。

次のステップは、より複雑なポリマーやカルシウム、亜鉛などの他の材料、最終的には液体電解質へと分析を拡大することです。

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