バッテリーはスマートフォンから電気自動車に至るまであらゆるものに電力を供給しており、その性能は電極と電解質の間の重要な界面に左右されます。ペンシルベニア州立大学と業界の研究者は、この界面をより高い解像度で観察する方法を開発しました。これにより、バッテリーの効率と寿命を改善する新しい方法が明らかになる可能性があります。

彼らは出版された彼らの結果は、アメリカ化学会誌。

電極は金属棒や金属板のような導体で、電池に電気を出入りさせる一種のゲートウェイとして機能します。バッテリーには、負極であるアノードと正極であるカソードの 2 種類があります。電解質は電気を伝導する液体媒体です。イオンアノードとカソードの間に接続され、電流が流れるようになります。

電極 –電解質界面とは、固体電極と液体電解質が接する境界のことです。この界面は、イオンと溶媒分子がどのように電荷を蓄積、消耗、移動するかに影響を与えることにより、電池の性能において重要な役割を果たします。

エネルギー・鉱物工学の大学院研究助手であり、この研究の筆頭著者であるJianwei Lai氏によると、この界面、特に電気二重層（EDL）の挙動を理解することは、より効率的で耐久性のある電池を設計するために不可欠であるという。

「EDLは、バッテリー内の電気化学反応を可能にするイオン移動と電子移動を制御します」とLai氏は述べた。「だからこそ、二重層の研究が最優先事項なのです。二重層はバッテリーの性能に直接影響を与える可能性があります。」

ただし、課題は、この電極と電解質の二重層が超微細スケールで存在し、非常に動的であり、印加電圧に応じて構造が変化することです。電圧が変化すると、層内のイオンと分子の配置が変化します。

電極と電解質の層が変化すると、バッテリーの効率が低下し、エネルギー貯蔵量が減少し、寿命が短くなる可能性があります。たとえば、交通渋滞で車の速度が遅くなるのと同じように、イオンが間違った場所に詰まり、スムーズな電気の流れが遅くなる場合です。高速道路で。

「EDL はナノメートルスケールに近いため、特性を明らかにするのは非常に困難です」と Lai 氏は説明しました。「そして、その構造は静的ではありません。加えられた電荷に大きく依存するため、直接研究するのは非常に困難です。」

これまで科学者は、EDL の構造を理解するために理論モデルを使用してきました。ボルタンメトリー、従来の電気毛細管現象、電気化学インピーダンス分光法などの従来の測定方法では、間接的ではあるが不正確な手がかりが得られます。これは、電池がより多くのエネルギーを貯蔵および放出するのを助ける複雑な塩溶液を含む、今日の電池のより複雑なシステムにとって特に問題である、とライ氏は述べた。

これらの障害を克服するために、Lai 氏とチームは電気毛細管現象の新しい改良版を開発しました。この技術は、電圧を印加したときに界面の表面張力がどのように変化するかを測定します。

研究者の新しいアプローチでは、高度なセンサーと機器を使用して、電極と電解質の界面での急速な変化を捕捉します。彼らはまた、全体的な評価だけでなく、評価するための新しい分析方法も開発しました。界面張力だけでなく、界面でのイオンの特定の分布と電位変動も把握できるため、バッテリーの性能をより明確かつ詳細に理解できます。

これらの測定により、二重層構造と電位プロファイルを前例のない詳細度でマッピングできるとライ氏は述べた。

「従来の方法と比較して、当社の高解像度アプローチはデータ解像度を 50 ～ 100 倍向上させます」と Lai 氏は述べています。「二重層がそれぞれの電圧や電位でどのように見えるかをマッピングすることができます。この動的な性質は、従来の方法では捉えることができなかったものです。」

研究者らは、その高度な技術を利用して、安全で安価であることから電池生産の選択肢としてますます人気のある亜鉛電池電解質を研究しました。しかし、電解質の表面が電極とどのように相互作用するのか、またイオンがこの表面をどのように移動するのかを理解するのは困難だったとライ氏は述べた。

表面でのイオンの移動方法はバッテリーの動作効率に影響を与えるため、この相互作用を理解することで、より優れたバッテリーを開発するための洞察が得られる可能性があります。研究チームは、新しい技術により、より多くの亜鉛イオンが二重層に集まり、バッテリーの充電がより速く、より効率的に行われることを発見しました。

彼らの分析により、亜鉛イオンは電極の表面に密着する塩化物イオンによって正しい位置に導かれ、より多くの亜鉛イオンを正しい場所に導くのに役立つことが判明しました。

「この戦略により、充電と放電中の亜鉛イオンの移動が速くなり、充電が高速化され、バッテリーの効率が向上します」とLai氏は述べた。「この配置がいかにユニークで、全体的なパフォーマンスがどのように向上し、バッテリーがより効果的で信頼性の高いものになるのかがわかりました。」

Lai 氏によると、バッテリーのこれらの部分がどのように連携するかをより明確に把握することで、科学者は電極と電解質の間の小さな相互作用をより適切に測定および捕捉できるようになり、特定の電解質成分やイオン設計が改善される理由を理解できるようになります。バッテリーパフォーマンス。基本的に、この技術は、電解液がより良く機能する理由を理解するための普遍的なプラットフォームとして機能し、将来的にはより効率的なバッテリーの設計を導くことができます。

「この重要な界面を理解することは、エネルギー貯蔵用のより優れた、より効率的で信頼性の高い電解質を設計する上で不可欠です」とライ氏は述べた。

「個々のイオン構成と界面ポテンシャルプロファイルの両方が分かれば、界面がどのように構造化されているかを実際に理解することができます。これは従来の技術では決して不可能でした。」

この前例のないレベルの洞察力を武器に、電解質工学の大幅な進歩を推進し、ひいては将来のクリーンエネルギー駆動技術に求められる改良された電池を開発できるとライ氏は述べた。

「電気毛細管現象の近代化は、電気化学の分野における大きな進歩を意味します」とライ氏は述べた。「直接的かつ正確な方法を提供することで、電極電解質インタフェースこの技術により、研究者はバッテリー内で発生する重要なプロセスをより深く理解し、最適化できるようになります。

「高性能バッテリーの需要が高まり続ける中、この研究はイノベーションを推進し、バッテリーの性能を向上させる上で重要な役割を果たすでしょう。エネルギー貯蔵未来のソリューション。」