リチウムイオン電池 (LiB) は、世界中で最も広く使用されている充電式電池となっています。エネルギー研究者や材料科学者は、製造コストを大幅に増加させることなく、電池の性能と効率の向上につながる可能性のある、LIB コンポーネントとして機能する可能性のある代替材料を特定しようと努めてきました。

現在まで、グラファイトは比較的低コスト、軽量、耐久性により、LiB のアノード材料として最も多く使用されてきました。しかし、近年の研究により、グラファイトベースのアノードに代わる有望な代替物が特定されており、そのうちの 1 つはマイクロサイズの合金アノードです。

合金陽極は以下に基づいています金属合金シリコン（Si）、スズ（Sn）、アルミニウム（Al）など、リチウムと反応する可能性のあるもの。これらの合金をベースにしたアノードは、低コストや電池の容量向上の可能性など、グラファイトアノードに比べて顕著な利点を持つ可能性があります。

潜在的な利点にもかかわらず、マイクロサイズの合金アノードはグラファイトアノードよりも信頼性が低いことがこれまで証明されています。その理由の 1 つは、特に炭酸塩ベースの電解質と組み合わせると、容量が急速に低下し、クーロン効率が低下することが多いためです。

過去の研究では、固体電解質界面（SEI）、保護層バッテリーサイクル中にアノードに形成される物質は、合金との結合が強すぎます。これにより、SEI と合金の両方に構造的な亀裂が生じ、そこから電解液が浸透し、電池の充電および放電中に新しい SEI 層が形成される可能性があります。

マイクロサイズの合金アノードを備えた電池では急速な劣化が観察されるため、これまでのところ、その広範な使用と商業化は制限されています。

で紙に掲載されました自然エネルギーメリーランド大学とロードアイランド大学の研究者らは、マイクロサイズの合金アノードを備えたLiBの性能を向上させることができる新しい非対称電解質を導入した。

「ナノサイズの合金アノードを使用すると、セルのサイクル寿命を延ばすことができますが、同時にバッテリーのカレンダー寿命が短くなり、製造コストが増加します」とAi-Min Li氏、Zeyi Wang氏らは論文で述べている。

「私たちは、非対称電解質 (無溶媒イオン液体と分子溶媒) を開発して LiF を豊富に含む無機 SEI を形成することで、マイクロサイズの Si、Al、Sn、Bi アノードのサイクル性能を大幅に向上させ、90 mAh μSi||LiNi を実現しました。_0.8ん_0.1コ_0.1○₂70 mAh リチウム_3.75Si||SPAN パウチセル (面積容量 4.5âmAhâcm)^–2;N/P ≠1.4) で 400 サイクル以上を達成し、85% を超える高い容量保持を実現します。」

研究者らは、マイクロサイズの合金アノードと高エネルギーカソードと組み合わせた場合に良好な性能を発揮できる新しい電解質を設計、合成した。この電解質は、N-メチル-N (2-メトキシエトキシ) メチル ピロリジニウム ヘキサフルオロホスフェート (NMEP と略称) をベースとしています。

「非対称電解質設計により、LiFが豊富な界面が形成され、高容量アノードと高エネルギーカソードが長いサイクル寿命を達成できるようになり、高エネルギーリチウムイオン電池の一般的なソリューションが提供される」とLi氏、Wang氏らは書いている。

彼らを評価するには電解質の可能性を研究チームは、大型の LiB パウチセルでテストしました。セルは 140 mAh g 以上の高容量を達成したため、彼らの発見は非常に有望なものでした。^-1200 サイクルにわたり、400 動作サイクル後も容量の 85% 以上を維持します。

研究者らが新たに導入した非対称設計により、LiPF 間の互換性が向上₆LiB の主要成分である塩と、還元電位の低いジメチルエーテル (DME) を使用することで、マイクロサイズの合金アノード上に LiF 界面を確実に形成できます。

将来的には、さまざまなバッテリーを使用して、より広範囲のバッテリーでテストできる可能性があります。アノードおよびカソード組成は、次世代バッテリーソリューションの開発に貢献する可能性があります。

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