新しい電解質技術を使用した負極フリー電池でEV走行距離を2倍に

浦項科学技術大学 (POSTECH)、韓国、浦項

サイクル性能を備えた可逆的なホスト設計電解質の概略図とパウチセル。 （画像：研究者ら）

POSTECH化学科のSoojin Park教授とDong-Yeob Han博士が率いる共同研究チームは、KAISTのNam-Soon Choi教授とSaehun Kim博士、慶尚国立大学のTae Kyung Lee教授とJunsu Son研究員とともに、アノードフリーのリチウム金属電池で1270 Wh/Lの体積エネルギー密度を達成することに成功した。この値は、現在電気自動車で使用されているリチウムイオン電池（通常約 650 Wh/L）のほぼ 2 倍です。この成果は Advanced Materials に掲載されました。

アノードフリーのリチウム金属電池では、従来のアノードが完全に不要になります。代わりに、カソードに蓄えられたリチウムイオンが充電中に移動し、銅の集電体に直接堆積します。不要なコンポーネントを削除することで、同じサイズのタンクにより多くの燃料を入れるのと同じように、より多くの内部スペースをエネルギー貯蔵に充てることができます。ただし、この設計には重大な課題が伴います。リチウムが不均一に堆積すると、デンドライトとして知られる鋭い針状の構造が形成される可能性があり、短絡や潜在的な安全上の問題のリスクが高まります。充電と放電を繰り返すとリチウムの表面が損傷し、バッテリー寿命が急速に短くなる可能性があります。

これらの問題に対処するために、研究チームは、可逆ホスト (RH) と設計された電解質 (DEL) を組み合わせた二重戦略を採用しました。可逆ホストは、均一に分散された銀 (Ag) ナノ粒子が埋め込まれたポリマーフレームワークで構成されており、リチウムがランダムではなく指定された場所に堆積するように誘導されます。簡単に言うと、リチウム専用の駐車場のように機能し、規則正しく均一な堆積を保証します。

設計された電解質は、リチウム表面に Li2O と Li3N で構成される薄くても堅牢な保護層を形成することにより、安定性をさらに高めます。この層は皮膚上の包帯のように機能し、リチウムイオン輸送のための開いた経路を維持しながら、有害な樹状突起の成長を防ぎます。

RH-DEL システムを組み合わせると、優れたパフォーマンスが実現しました。高面積容量 (4.6 mAh cm -2 の場合) ) および電流密度 (2.3 mA cm -2 )、バッテリーは 100 サイクル後も初期容量の 81.9 パーセントを保持し、平均クーロン効率 99.6 パーセントを達成しました。これらの結果により、チームは負極のないリチウム金属電池で記録破りの 1,270 Wh/L 体積エネルギー密度を達成することができました。

重要なのは、この性能が実験用の小型セルだけでなく、実際の電気自動車用途に近いパウチ型バッテリーでも検証されたことです。電解液の量が最小限であっても (E/C =2.5 g Ah -1) ）、低いスタック圧力（20 kPa）下でも、バッテリーは安定して動作しました。これは、製造負担を軽減しながらバッテリーの重量と体積を削減し、商業的な実現可能性を大幅に向上させる強力な可能性を示しています。

Soojin Park教授は、「この研究は、アノードフリーのリチウム金属電池の効率と寿命の問題に同時に対処するという意味のある画期的な成果である」とコメントした。 Tae Kyung Lee 教授は、「私たちの研究は、市販の溶媒に基づいた電解質設計が、高いリチウムイオン移動度と界面安定性の両方を達成できることを実証しました。」

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