マグネシウムイオン固体電池:リチウムよりも安全で効率的

爆発のない、よりエネルギー密度の高い固体電池を約束するにはまだかなり早いです。しかし、エネルギー貯蔵研究共同センターの研究者らは、より多くのエネルギー貯蔵容量を備えた不燃性マグネシウム電池の作成に大いに役立つマグネシウムイオン固体伝導体を開発しました。

リチウム電池が爆発する理由は、リチウム電池がアノードとカソードの間で電荷を行き来する液体電解質でできているため、可燃性の物質になる可能性があるためです。ただし、マグネシウム固体導体は、液体ではなく電解質として使用できるため、耐火性があります。つまり、今後、Samsung Galaxy や iPhone がばらばらになることはなくなるでしょう。

トヨタやKITを含む数社は、より優れた電解液の開発に注力しているが、バッテリーの他の部品を腐食させる傾向がある。そこで、研究者たちは何か違うことを試みたいと考えました。リチウムに比べて密度が高く、自然界にはるかに豊富に存在するマグネシウムはどうでしょうか。

この技術を開発するために、 研究者たちはマグネシウム・スカンジウム・セレン化スピネルを選択しました。 、リチウム固体電解質に匹敵するマグネシウムの移動度を持っています。彼らがどのようにしてそれを可能にしたのかを見てみましょう。

MIT とアルゴンヌの役割

科学者チームは、計算リソースを提供した MIT 研究者と、マグネシウム スカンジウム セレン化スピネル材料の構造と機能を文書化したアルゴンヌ国立研究所の協力を得ました。

アルゴンヌの研究化学者であるバリス キーは、マグネシウム イオンが理論研究で予測されているのと同じ速さで材料中を移動できることを証明するために、NMR (核磁気共鳴) 分光法テストを実施しました。 実験のデータには複雑な特性を持つ未知の材料構造が含まれており、理解するのが非常に困難でした。

固体 NMR およびシンクロトロン測定に加えて、従来の電気化学的特性評価が適用されて、これらの発見が可能になりました。

NMR は、人間の神経、筋肉、脂肪組織内の水の水素原子を示すために医療で頻繁に使用される MRI (磁気共鳴画像法) に非常に似ています。 NMR 周波数を調整して、バッテリー材料に存在するマグネシウム イオンやリチウム イオンなどの他の元素を識別できます。

出典:ローレンス・バークレー国立研究所

マグネシウム スカンジウム セレン化スピネルを選ぶ理由

スピネル構造は設計パラメータに基づいて選択されました。これらの構造は、アニオンあたりの体積が大きく、マグネシウムの移動度が最も高くなります。また、NMR リラクソメトリーとインピーダンス分光法により、低い移動障壁でマグネシウム イオンが高速で移動することが確認されています。インピーダンス分光法では混合伝導挙動が示されるため、この材料が実用化できる固体マグネシウム電解質となるためには、電子伝導性を抑制する計画が模索される必要があります。

固体マグネシウム電解質の製造に大きな影響を与える可能性のある 2 つの基本現象、つまり点欠陥の役割と、マグネシウムの移動度および電気化学に対する反転の影響について、どちらの論文も Chemistry of Materials に掲載されています。

観察によると、電子伝導性は固有の欠陥によって、または二次的な非マグネシウム含有相によって引き起こされることが示唆されています。したがって、マグネシウム・スカンジウム・セレン化スピネルの欠陥化学を理解することは、電子伝導性を低下させる上で非常に重要です。電子伝導を回避する別のアプローチは、その表面をイオン伝導性だが電子絶縁性になるように設計することです。これは、材料の固体電解質と電極の間に薄い界面を現場で形成するか、異なる材料の薄層を現場外でコーティングすることによって実現できます。

全固体電池の適切な性能を確保するには、実用的なコーティング層が十分なマグネシウムの移動性を示す必要があります。研究チームは、二元セレン化マグネシウム、硫化マグネシウム、酸化マグネシウムなど、マグネシウム材料に対する注目すべき電解質分解生成物全体にわたるマグネシウムの拡散を検討しました。

彼らは、酸化マグネシウムと硫化マグネシウムには高い拡散障壁があるのに対し、セレン化マグネシウムはより低い値を示すことを発見しました。したがって、潜在的なマグネシウム固体電解質（硫化物と酸化物で構成されるもの）は、二元マグネシウム カルコゲニドと比較して、マグネシウム金属に対して使用した場合に、より優れたマグネシウム移動度を備えた界面生成物を確実に生成する必要があります。

この研究作業では、室温で高いマグネシウムイオン伝導率をもつ最初のスピネルを特定することに加えて、以前に検出された高速多価イオン固体伝導体の設計規則も検証しました。これは、電解質材料または電極として機能する可能性のある、マグネシウムの高速移動性を備えたより多くの固体の発見に向けた心強い一歩です。

研究論文:三元スピネルカルコゲニドにおける高いマグネシウム移動度

影響と今後の範囲

上海交通大学のボー助教授によると、この研究はエネルギー情勢に顕著な影響を与えるだろうという。このテクノロジーは初期段階にありますが、近い将来、エネルギー貯蔵に変革的な影響を与える可能性があります。

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画期的でエキサイティングに聞こえますが、研究チームは、この材料を実際のバッテリーに使用するにはまだ多くの準備作業が必要だと述べています。現時点では、除去する必要のある電子漏れが少量ありますが、イオン移動度の向上は、より安全な商用電池にとって心強いものです。