アルミニウムはより安全で安価な電池の可能性を示す

Jul 12, 2023

優れたバッテリーには 2 つのことが必要です。1 つはデバイスに電力を供給するための高いエネルギー密度です。 安定性が高いため、何千回も安全かつ確実に充電できます。 過去 30 年間、リチウムイオン電池は最高の地位に君臨し、スマートフォン、ラップトップ、電気自動車でその性能が証明されてきました。

しかし、電池研究者はリチウムイオンの限界に近づき始めています。 次世代の長距離車両や電気航空機が市場に登場し始めるにつれ、リチウムイオンを上回る、より安全で安価、より強力なバッテリー システムの探索が強化されています。

エンジニアのマシュー・マクダウェルが率いるジョージア工科大学の研究チームは、アルミニウム箔を使用して、より高いエネルギー密度とより優れた安定性を備えた電池を開発しています。 Nature Communications に詳述されている研究チームの新しいバッテリー システムは、電気自動車を 1 回の充電でより長く走らせることができ、製造コストも安くなると同時に、環境にプラスの影響を与える可能性があります。

「当社のアルミニウム陽極の利点の 1 つは、性能の向上が可能であり、非常にコスト効率が高いことです。」

- マクダウェル

この研究の一部は、米国国立科学財団の支援を受ける国立ナノテクノロジー調整インフラストラクチャーのメンバーであるジョージア工科大学エレクトロニクス・ナノテクノロジー研究所で行われました。

「私たちは、電気自動車が1回の充電でより長い距離を走行できるようになる、よりエネルギー密度の高いバッテリーを常に探しています」とマクダウェル氏は語った。 「アルミニウムは費用対効果が高く、リサイクル性が高く、加工が容易なため、電池材料として使用できます。」

従来のリチウムイオン電池で使用すると、リチウムが材料内を出入りする際の膨張と収縮により、アルミニウムは数回の充放電サイクル以内に破損して破損します。 開発者らはアルミニウムは電池材料として利用可能ではないと結論付け、そのアイデアはほとんど放棄された。

現在、全固体電池が登場しています。 リチウムイオン電池には火災を引き起こす可能性のある可燃性の液体が含まれていますが、全固体電池には可燃性ではない固体材料が含まれているため、より安全である可能性があります。 全固体電池では、新しい高性能活物質の統合も可能になります。

研究者らは、アルミニウムに他の材料を少量加えて、特定の「微細構造」、つまりさまざまな材料の配置を備えた箔を作成しました。 エンジニアは、電池内で材料がどのように動作するかを理解するために、100 以上の異なる材料をテストしました。

アルミニウムアノードは、従来のアノード材料よりも多くのリチウムを貯蔵できるため、より多くのエネルギーを貯蔵することができます。 最終的に研究者らは、リチウムイオン電池を超える可能性のある高エネルギー密度電池を開発した。

「当社のアルミニウム陽極の利点の 1 つは、性能の向上が可能であり、コスト効率が非常に高いことです」とマクダウェル氏は述べています。 「箔を電池部品として直接使用する場合、電池材料の製造に通常必要とされる多くの製造ステップを実際に省略できます。」

短距離電動航空機は複数の企業によって開発中ですが、制限要因はバッテリーです。 現在のバッテリーには、航空機が 150 マイル程度を超える距離を飛行するための電力を供給するのに十分なエネルギーがありません。 新しい電池の化学的性質が必要であり、チームのアルミニウム負極電池は、より強力な電池技術への扉を開く可能性がある。