バッテリーは時間の経過とともに容量が減少するため、古い携帯電話はすぐに電力が切れてしまいます。しかし、この一般的な現象は完全には理解されていません。

今回、コロラド大学ボルダー校のエンジニアが率いる国際研究チームは、このようなバッテリー劣化の背後にある根本的なメカニズムを明らかにした。彼らの発見は、科学者がより優れた電池を開発するのに役立つ可能性があります。電気自動車より遠くまで、より長く走れるようにすると同時に、クリーン エネルギーへの移行を加速するエネルギー貯蔵技術も進歩させます。

発見されたのは、出版された9月12日の日記科学。

「私たちはリチウムイオン電池の劣化に関与する分子レベルのプロセスを解明することで、リチウムイオン電池の進歩に貢献しています」と論文の責任著者で化学生物工学部教授のマイケル・トニー氏は述べた。「エネルギーインフラを化石燃料からより多くの燃料に移行する上で、より優れたバッテリーを搭載することは非常に重要です。再生可能エネルギー源。」

エンジニアは、コバルトを含まない、最も一般的なタイプの充電式電池であるリチウムイオン電池の設計に長年取り組んできました。コバルトは高価な希少鉱物であり、その採掘プロセスは深刻な環境問題や人権問題と関連しています。世界のコバルトの半分以上を供給するコンゴ民主共和国では、鉱山労働者の多くは子供たちだ。

これまで科学者たちは、ニッケルやマグネシウムなどの他の元素をコバルトの代わりに使用しようと試みてきました。リチウムイオン電池。しかし、これらのバッテリーは自己放電率がさらに高く、バッテリーの内部化学反応によって蓄積エネルギーが減少し、時間の経過とともに容量が低下します。自己放電のため、ほとんどの EV バッテリーの寿命は 7 ～ 10 年で、交換が必要になります。

再生可能持続可能エネルギー研究所のフェローでもあるトニー氏と彼のチームは、自己放電の原因の調査に着手しました。一般的なリチウムイオン電池では、電荷を運ぶリチウムイオンが、電解質と呼ばれる媒体を通って、電池の一方の側（アノードと呼ばれる）からもう一方の側（カソードと呼ばれる）に移動します。

このプロセス中に、これらの荷電イオンの流れにより、電流電子機器に電力を供給します。バッテリーを充電すると、帯電したイオンの流れが逆になり、陽極に戻ります。

以前、科学者たちは、充電時にすべてのリチウムイオンがアノードに戻るわけではなく、電流を形成して電力を供給するために利用できる荷電イオンの数が減少するため、バッテリーが自己放電すると考えていました。

研究チームは、イリノイ州にある米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所にある強力な X 線装置であるアドバンスト フォトン ソースを使用して、バッテリーの電解質からの水素分子がカソードに移動し、リチウム イオンが通常結合するスポットを奪うことを発見しました。に。その結果、正極でリチウムイオンが結合する場所が減り、電流が弱まり、バッテリーの容量が減少します。

交通機関は米国で発生する温室効果ガスの唯一最大の発生源であり、2021年には同国の排出量の28%を占めている。排出量削減の取り組みとして、多くの自動車メーカーはガソリン車の開発からEVの生産を増やすことに取り組んでいる。

しかしEVメーカーは、航続距離の制限、生産コストの上昇、従来の車両に比べてバッテリー寿命が短いなど、多くの課題に直面している。米国市場では、一般的な完全電気自動車は 1 回の充電で約 250 マイル走行でき、これはガソリン車の約 60% です。新しい研究はこれらすべての問題に対処する可能性があるとトニー氏は述べた。

「すべての消費者は、航続距離の長い車を望んでいます。これらの低コバルト含有バッテリーの中には、より高い電力を供給できる可能性があるものもあります。」ドライビングレンジしかし、それらが短期間で崩壊しないようにする必要もあります」と同氏は述べ、コバルトを削減することでコストも削減でき、人権とエネルギー正義の懸念にも対処できると指摘した。自己放電メカニズムをより深く理解することで、エンジニアは、水素分子をブロックする特殊な材料でカソードをコーティングしたり、別の電解質を使用したりするなど、プロセスを防止するいくつかの方法を検討できます。

「バッテリーの劣化の原因がわかったので、バッテリーを設計する際に何を改善する必要があるかをバッテリー化学コミュニティに知らせることができます」とトニー氏は述べた。

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