コーネルエンジニアリングのチームは、長期間の充放電サイクルにわたって安定した性能を維持しながら、市販されているどのバッテリーよりも速く、5 分未満で充電できる新しいリチウムバッテリーを開発しました。

この画期的な進歩により、心配するドライバーの「航続距離不安」が軽減される可能性がある電気自動車時間のかかる充電をしないと長距離を移動できません。

コーネル大学のジェームス・A・フレンド・ファミリーのリンデン・アーチャー氏は、「航続距離の不安は、バッテリーのコストや性能といった他の障壁よりも交通機関の電化にとって大きな障壁となっている。われわれは、合理的な電極設計を使用してそれを排除する道筋を特定した」と述べた。工学部の栄誉教授であり、プロジェクトを監督したコーネル大学工学部の学部長。「EVを充電できたらバッテリー5 分以内に、つまり、300 マイルの航続距離に十分な大きさのバッテリーを搭載する必要はありません。より低い金額で妥協できるため、EV のコストが削減され、より幅広い普及が可能になる可能性があります。」

のチームの論文、「リチウム電池の急速充電、長期保存」、1 月 16 日に掲載ジュール。主著者は、化学および生体分子工学の博士課程の学生、Shuo Jin 氏です。

リチウムイオン電池は、電気自動車やスマートフォンに電力を供給する最も一般的な手段の 1 つです。バッテリーは軽量で信頼性が高く、比較的エネルギー効率が良いです。ただし、充電には数時間かかり、大電流サージに対処する能力がありません。

「私たちの目標は、日常生活に合わせた方法で充電および放電できるバッテリー電極の設計を作成することでした」とジン氏は述べています。「実際的な観点から言えば、私たちは電子機器が急速に充電され、長時間動作することを望んでいます。これを達成するために、私たちはさまざまな正極材料と効果的に組み合わせることができる独自のインジウム負極材料を特定し、急速に充電し、ゆっくりと放電する電池を作成しました。」。」

Archer の研究室はこれまで、イオンが電解質内でどのように移動し、金属アノードの界面で結晶化するかに焦点を当てて電池設計に取り組み、その後、この知識を利用して電極の形態を操作し、長期保存用のより安全なアノードを作成していました。

新しいリチウム電池では、研究者らはこれまでとは異なる方針をとり、電気化学反応の動力学に焦点を当て、特に「ダムケラー数」と呼ばれる化学工学の概念を採用した。これは本質的に、物質が反応部位に輸送される速度に対する化学反応の発生速度の尺度です。

本質的に固体輸送速度が速く、したがってダムケラー数が低い電池電極材料を特定したことは、研究者が急速充電電池用の非常に有望な材料としてインジウムを特定するのに役立ちました。インジウムは柔らかい金属で、主にタッチスクリーンディスプレイやソーラーパネル用の酸化インジウムスズコーティングの製造に使用されます。低温はんだの鉛代替としても使用されます。

新しい研究は、インジウムが電池の負極として 2 つの重要な特性を持っていることを示しています。それは、イオンが固体状態で拡散する速度を決定する極めて低い移動エネルギー障壁です。適度な交換電流密度は、アノード内でイオンが減少する速度に関係します。これらの性質、つまり急速な拡散と遅い表面反応速度の組み合わせは、急速充電と長期保存には不可欠です。

「重要なイノベーションは、バッテリーのアノードにある金属イオンが自由に動き回り、適切な構成を見つけて初めて電荷蓄積反応に参加できる設計原理を発見したことです」とアーチャー氏は述べた。「最終結果として、どの充電サイクルでも電極は安定した形態状態になります。これこそが、当社の新しい急速充電バッテリーに、数千サイクルにわたって充電と放電を繰り返す能力を与えるものなのです。」

この技術を道路でのワイヤレス誘導充電と組み合わせることで、バッテリーのサイズとコストが縮小され、ドライバーにとって電気交通がより現実的な選択肢になるでしょう。

しかし、それはインジウム陽極が完璧であること、あるいは実用的であることを意味するものではありません。

「この結果は、バッテリーを急速充電する方法を教えてくれるという点で興味深いものですが、インジウムは重いです」とアーチャー氏は言う。「そこにチャンスが眠っている計算化学おそらく生成 AI ツールを使用してモデリングし、他の軽量材料化学が同じ本質的に低いダムケラー数を達成できる可能性があることを学習します。たとえば、望ましい特性を備えた、私たちが研究したことのない金属合金は存在するでしょうか?私が満足しているのは、誰でも最先端の技術よりも速い充電速度を達成できる、より優れたバッテリーの負極を設計できる一般原則が働いているということです。」

共著者には、ロバート フレデリック スミス化学生体分子工学大学院教授の Yong Joo 氏が含まれます。ロン・ヤン、スミス・スクール助教授。そして博士課程の学生Xiaosi Gao氏、Shifeng Hon氏、Yue Deng氏、Pengyu Chen氏です。