気候変動との戦いにおける最大の課題の 1 つはエネルギー貯蔵です。化石燃料は本質的にそれ自身を貯蔵し、そのエネルギーはそれ自身の化学結合の中に閉じ込められています。しかし、より持続可能ではあるが、風や太陽の力のような、短命なエネルギーをどのように蓄えるのでしょうか?

材料科学工学 (MSE) の准教授であるエリック・デツィ氏は、答えは電池です。ただし、電池は将来のエネルギー需要を満たすのに十分強力であるという点に注意してください。国際エネルギー機関は、世界の電池容量が 2030 年までに 6 倍になる必要があると予測しています。はまだ存在しません。

目覚まし時計などの家庭用電化製品に使用される使い捨てアルカリ電池から、充電式リチウムイオン電池ハイブリッドと電気自動車、イオンが流れる電極は通常、次のものでできています。固体材料のように金属酸化物またはグラファイト。しかし、Detsi 氏が指摘するように、電極は時には 300% も膨張および収縮するため、充電と放電の各サイクルでバッテリーの材料が損傷します。これが、充電式バッテリーですら徐々に容量を失い、最終的には故障する原因の 1 つです。。

「高性能電池に使用するために、大量のリチウム、ナトリウム、マグネシウムを貯蔵できる材料が必要です」とデツィ氏は言う。「問題は、電池材料が蓄えることができるリチウム、ナトリウム、マグネシウムが多ければ多いほど、充放電中の膨張と収縮が大きくなり、その結果、体積が大幅に変化することです。」

リチウムイオン電池の父の一人である2019年後半のノーベル賞受賞者ジョン・グッドイナフ氏を含む一部の研究者は最近、体積が変化しても壊れない液体電極を備えた電池の開発に着手した。しかし、液体電極には別の課題があります。それは、水風船のように動作する電池を安全に製造して使用することが難しいということです。言い換えれば、単に大型の電池や液体電池を構築するだけでは機能せず、将来の電池を設計するには、研究者はまったく新しい材料を作成する必要があるということです。

さらに、量産型の充電式電池に通常使用されるリチウムやコバルトなどの元素の多くは、電池の需要が高まるにつれて、ますます高価になっており、言うまでもなく人権侵害に巻き込まれています。（昨年、ノッティンガム大学教授のシダース・カラ氏は、コンゴ民主共和国におけるひどい労働慣行について暴露した『コバルト・レッド：コンゴの血が私たちの生活にどう影響を与えるのか』を出版した。-世界のコバルトの4分の1。）

「新興国向けの高性能バッテリーの必要性エネルギー貯蔵グリッドスケールのストレージや電気自動車などのアプリケーションに興味を持ち、バッテリーの材料を研究するようになりました」と Detsi 氏は言います。

この目的を達成するために、彼のグループは主にナトリウムとマグネシウムで作られた電池を研究してきた。ナトリウムとマグネシウムは地殻に豊富に存在するため、安価で倫理的問題も少ない。さらに重要なことは、ナトリウムとマグネシウムの資源が米国に豊富であることです。たとえば、米国地質調査所 (USGS) によると、世界の炭酸ナトリウム (ソーダ灰) の埋蔵量の 68.8%、および世界の塩化ナトリウム (塩) の 14.5% が埋蔵されています。ナトリウムを作るのに必要な物質は米国で発見されています。

Detsi のグループは、これらの金属を使用して、液体状態と固体状態の間で変化し、充電サイクル中の損傷を回避しながら製造が容易な電極を開発しています。

「材料が固相にあるとき、電荷の蓄積中に生じる大きな体積変化により劣化が始まります」と Detsi 氏は言います。「しかし、材料が固体から液体に変化するとき、体積変化によって引き起こされる劣化から回復することによって、材料はそれ自体を『修復』します。」

最初に、Detsi は、ペンタガリド二マグネシウム (Mg) でできたアノード (充電中にイオンを収集する電極) を使用して、このアプローチの実現可能性を実証しました。₂ガ₅）、マグネシウムとガリウムの混合物で、後者は融点が低いため、このような合金は固体から液体に移行しやすくなります。

2019年、デツィ氏の研究室は、MSE、機械工学および応用力学（MEAM）、生物工学（BE）のエドゥアルド・D・グラント学長特別教授であるヴィヴェク・シェノイ氏の研究室とともに、Mgで作られた自己修復アノードが存在することを示した。2_ガ5_{1,000回以上の充電サイクルに耐えることができる} 。「私たちが研究する前は、最先端のマグネシウムイオン電池の負極のサイクル寿命はわずか 200 サイクルでした。」と Detsi 氏は言います。

言い換えれば、自己修復アノードの追加により、マグネシウム イオン バッテリーの初期寿命が 5 倍になりました。

今年の初め、デツィ氏の研究室は室温で溶けるガリウムインジウム陽極を使用して限界をさらに押し広げ、商業用途への扉を開く可能性がある。実験用のアノードは 2,000 回の充電サイクルに耐え、電池容量の 91% を維持しました。「これは前例のないことです」とデツィ氏は言う。ちなみに、iPhone 15 は 80% のバッテリー容量を維持しながら 1,000 回の充電サイクルを維持できます。

プロジェクトを進めるために、Detsi とその共著者、Lin Wang と Alexander Ng は最近博士号を取得しました。卒業生と博士研究員のロクサナ・ファミリーは、固体から液体への物質の変化をより深く理解するために、X 線回折、X 線散乱、X 線分光法、極低温走査型電子顕微鏡などのさまざまな高度なイメージング技術を採用しました。後者の技術では、Detsi と彼のグループが論文で説明しているように、自己修復プロセスをよりよく研究するために、さまざまな段階で液体金属アノードを凍結することが含まれます。2023年の論文に掲載されましたACS エネルギーレター。

10年近く前、デツィと彼のグループが自己修復型ナトリウムイオン電池とマグネシウムイオン電池の概念を探求し始めたとき、彼のアイデアを真剣に受け止める人はほとんどいなかった。

「ナトリウムイオン電池に関する私たちの提案の一つを査読者が、ナトリウムイオン電池がそれほど優れているのになぜ商品化されないのかと尋ねたのを覚えています」とデツィ氏は言う。「当時、ナトリウムイオン電池を開発する新興企業は 1 社だけでしたが、今では世界中に多くの企業が存在します。」