リチウム空気とリチウムイオン:専門家の洞察とパフォーマンスの比較

Billy Hurley、デジタル編集マネージャー

「当社のリチウム空気電池の設計は、電池コミュニティにおける革命を表しています」とイリノイ大学シカゴ校の機械工学および産業工学の助教授、アミン サレヒ コージン氏は述べています。

Salehi-Khojin 氏と UIC およびアルゴンヌ国立研究所の研究員仲間は、自然の空気環境で動作し、記録的な 750 回の充放電サイクル後も機能する電気化学セルを設計しました。

リチウム空気電池は、空気中の酸素とアノードに存在するリチウムを結合させます。この混合物は、放電段階で過酸化リチウムを生成し、充電段階でリチウムと酸素の成分が分解します。

実験用のリチウム空気電池。 (写真:アミン・サレヒ・コージン)

リチウム空気電池は、今日の電話、ノートパソコン、電気自動車に電力を供給している同じリチウムイオン電池よりも最大 5 倍のエネルギーを保持できる容量があると考えられています。

しかし、初期の「リチウム空気」のアイデアは失敗することがよくありました。

リチウム イオンが空気中の二酸化炭素や水蒸気と結合すると、その結果として副産物が生成され、カソードがゴム状になることがよくあります。

この蓄積を防ぎ、バッテリーが自然空気環境で動作できるようにするために、UIC とアルゴンヌの研究者は、リチウムアノードを炭酸リチウムの薄い層でコーティングしました。このコーティングにより、アノードからのリチウム イオンが選択的に電解液に入ることが可能になり、不要な化合物がアノードに到達するのを防ぎます。

リチウム空気電池の実験設計では、酸素は炭素ベースの海綿状格子構造を通って電解質に入ります。

Salehi-Khojin らは、格子構造を二硫酸モリブデン触媒でコーティングしました。イオン液体と、バッテリー電解液の一般的な成分であるジメチルスルホキシドで作られた独自のハイブリッド電解質は、リチウムと酸素の反応を促進し、空気中の他の元素とのリチウム反応を最小限に抑え、バッテリーの効率を高めるのに役立ちました。

しかし、読者からは疑問がありました。バッテリーが過熱した場合はどうなりますか?バッテリーが爆発する可能性はありますか?安全上の懸念はありますか?リチウム空気電池はリチウムイオン電池とどのように比較できますか?アルゴンヌ特別フェローであり、この研究の共同主著者であるラリー・カーチス氏が、時間を割いて聴衆に答えてくれました。以下の回答を参照してください。

充電速度はどれくらいですか?

カーチス: このときの充電速度は、リチウムイオン電池と同様になります。さらなる研究により、この値はさらに増加する可能性があります。

あなたの新しい設計はどのようにリチウムイオン電池を上回る性能を発揮しますか?

Li と酸素の間の化学結合を利用することで、電池はより多くのエネルギーを蓄えることができます。これは、結合が Li とリチウムイオン電池で使用される金属酸化物層の間のインターカレーション相互作用よりも高密度であるためです。

可燃性または爆発の可能性はどれくらいですか (穴が開いた場合、過熱、過充電された場合など)。

カーチス: 私たちが公開したリチウム空気電池のコンポーネントの 1 つは、リチウム負極です。爆発を引き起こす可能性があることが知られています。多くの科学者がリチウムアノードの安全性の問題に取り組んでおり、安全性を確保するためにはおそらく多くの努力が必要になるでしょう。ただし、アノードとカソード間のバッテリー短絡による爆発を防ぐために、Li アノードの表面を電気絶縁体であるがイオン伝導性の材料で保護していることは言及する価値があります。これにより、バッテリーの過熱も防ぎます。

予想される故障モードは何ですか?

カーチス: これはスケールアップ中に調査されます。

他に安全上の懸念はありますか?標準的なリチウムイオン電池のエネルギー密度は、TNT のエネルギー密度と同じです。バッテリーのエネルギー密度はその 5 倍です。理論的には、これらの薄いコーティングによる望ましくない反応は制限されますが、空気中には他の潜在的な汚染物質 (CO2 N2 など) が存在します。これらの一部が腐食性になって層を破壊する可能性はありますか?内部短絡が発生して単一セルが反転し、火災が発生する可能性はありますか?

カーチス: このバッテリーは実験室規模でのみ開発されており、テスト中にこれらの安全性の問題は一切発生していません。次のステップは、これらの小型セルをバッテリー パックにスケールアップしてテストし、安全性の問題が何かを見つけて対処することです。ただし、Li アノード表面の堅牢な保護層により、セルの反転による過熱はシステムでは発生しないと考えています。

どう思いますか？リチウム空気電池についてさらに質問がありますか?以下で共有してください。

リチウム空気電池の概略図。 (クレジット:UIC およびアルゴンヌ国立研究所)