自己発熱型リチウムイオン電池は、-42°C でも急速充電し、4,500 サイクルと 12 年の寿命を実現します。

• 新しい自己発熱バッテリーは、-42°C の低温でも 15 分で充電できます。 
• 4,500 回の充電サイクルに耐えることができ、容量損失はわずか 20% です。 
• これは、バッテリーの寿命サイクルの 12 年、または電気自動車の寿命の 280,000 マイルに相当します。

急速充電ステーションの出力と数を増やすために、大手自動車メーカーの間でエキサイティングな競争が起こっています。 2017 年、ダイムラー、フォルクスワーゲン、フォード、BMW は、2020 年末までにヨーロッパ全土に 400 か所の「超高速」充電ステーションを建設するための合弁会社を設立しました。一方、ホンダは 2022 年までに 15 分間の急速充電機能を備えた電気自動車を発売する予定です。

2018 年 5 月、米国エネルギー省は、充電電力をさらに 400 kW に高めるための先進的なバッテリーと電動化研究を支援するために 1,900 万ドルの資金提供を発表しました。

既存の電気自動車は、極寒の環境での急速充電に耐えることができません。これは、充電中にアノードの周囲に金属リチウムが形成され、時間の経過とともにバッテリーが故障する、リチウム メッキのリスクが高まるためです。

従来のリチウム電池は 10°C 未満では急速充電できません。これらのバッテリーを氷点下で充電すると、永久的な容量の損失と内部抵抗の増加が発生します。

現在、ペンシルバニア州立大学の研究者は、外部温度に関係なく、リチウムメッキなしで急速充電できる自己発熱可能なバッテリーを開発しました。

これらのバッテリーを使用すると、電気自動車を 15 分で充電できます。これはガソリンの給油とほぼ同等です。これは寒い州に住んでいる人々にとって大きな安心になるかもしれない。充電ステーションが広範囲に設置されていることを考慮すると、オーナーは航続距離に対する不安がなくなり、安心して長距離を移動できるようになります。

以前、科学者たちは氷点下での自己発熱による電力の消耗が起こらないバッテリーシステムを構築しました。現在、同じ技術が適用され、-42°C の低温を含むあらゆる気象条件でバッテリーを急速 (15 分で) 充電できるようになりました。

仕組みは?

新しく設計されたバッテリーには薄いニッケル箔があり、その一端はセルのマイナス端子に接続され、もう一端は外側に伸びて第3の端子を形成します。回路を完成させるには、温度が 20°C 未満の場合にニッケル箔を介して電子が流れるようにする温度センサーにスイッチを取り付けます。

電子の流れによりニッケル箔内に抵抗加熱が生じ、最終的にバッテリーの内部温度が上昇します。温度が上昇すると (20°C 以上)、スイッチが開き、急速充電のためにバッテリーに電流が流れるようになります。

自己発熱バッテリー |クレジット:Chao-Yang Wang / ペンシルベニア州立大学

参照:PNAS |土井:10.1073/pnas.1807115115 |ペンシルバニア州

バッテリーはこれらすべての作業を単独で行います。人間の介入は必要ありません。さらに、既存の充電ステーションを変更する必要はありません。加熱と充電の切り替えは、充電器ではなくセル内で行われます。

テスト

プロトタイプのテスト結果は、想像以上に素晴らしいものでした。研究者らは、このバッテリーのサイクル寿命が電気自動車の寿命の 12 年または 280,000 マイル以上に相当するという驚くべきサイクル寿命を持っていることを発見しました。具体的には、バッテリーは 4,500 サイクルの高速充電 (15 分) に耐えることができ、0°C では容量損失がわずか 20% でした。

一方、従来のバッテリーは、氷点下ではわずか 50 回の充電サイクルで 20% の容量が失われる可能性があります。これは、リチウムイオンが炭素アノードと効率的に結合するのではなく、金属リチウムが（過剰に）アノードの表面に堆積するために起こります。現時点では、10°C 未満でこれを回避するには、低速充電が唯一の可能な方法です。

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研究者らによると、彼らの新しい方法は、電池科学において充電動力学を放電から切り離し、新しい材料や化学薬品を必要とせずに充電を強化する方法を提供するという。さらに、温度を気にせずに、より高度なバッテリー材料を構築するためのプラットフォームも提供します。

応用面では、この技術は自動車メーカーがより小型で軽量のバッテリーを使用するのに役立ちます。また、屋外ロボット、全天候型スマートフォン、ドローン、高高度で動作する超小型衛星など、幅広い電子機器やデバイスの利用も可能になります。