より厚く、より高密度で、より優れた: 新しい電極が先進的な電池の鍵を握る可能性がある

2023 年 8 月 16 日

ジェイミー・オバーディック

ペンシルバニア州ユニバーシティパーク — 世界がエネルギー消費をより電動システムに移行し、化石燃料への依存を減らし、気候変動改善努力を優先する中、高性能バッテリー、特に電気自動車用の需要が急増しています。電池の性能と生産性を向上させるために、ペンシルバニア州立大学の研究者と共同研究者は、エネルギーと電力レベルを維持するより効率的な電池を製造できる新しい製造アプローチを開発しました。

バッテリー電極の製造方法の改善により、よりエネルギー効率の高い電気自動車を可能にする高性能バッテリーが実現する可能性があるほか、電力網の蓄電機能を強化するなどのメリットも得られる可能性があると、サン・ホンタオ氏は述べている。 Sun はペンシルバニア州立大学の産業および製造工学の助教授であり、『Carbon』誌に掲載され、表紙を飾った研究の共同責任著者でもあります。

「私たちは現在のバッテリーを使って、車を長距離運転できるようにしたいと考えています。また、ガソリンを満タンにするのにかかる時間と同じくらい、おそらく5分から10分で車を充電したいと考えています」とサン氏は語った。「私たちの研究では、能動部品の割合を高め、受動部品の割合を減らして電極とバッテリーセルをよりコンパクトにすることで、これをどのように達成できるかを検討しました。」

電気自動車メーカーが車両の走行距離を延長したい場合、数千個ものバッテリーセルを追加します。サン氏によれば、小さくて軽いほど良いという。

「電気自動車の走行距離を伸ばすための解決策は、より高密度で厚い電極を備えたコンパクトなバッテリーを追加することだけです」とサン氏は述べ、そのような電極はバッテリーのコンポーネントをより適切に接続して電力を供給し、よりアクティブにすることができると説明しました。このアプローチは、電極重量あたりのバッテリー性能をわずかに低下させる可能性がありますが、バッテリーパッケージの重量と電気自動車の移動に必要なエネルギーを削減することで、車両の全体的なパフォーマンスを大幅に向上させます。」

より効率的な電極（バッテリー内の電気の一種の出入り口）は、より高い割合の能動成分を含むバッテリーの実現に役立つ可能性があります。

「バッテリー内部のコアコンポーネントについて考えてみると、バッテリーの性能に寄与するのは電極だけです。パッケージング、セパレーター、集電体などの他の部品はすべて、重量を増加させ、性能に影響を与える受動的なコンポーネントです」とサン氏は述べています。「バッテリーの性能にはまったく貢献していません。バッテリーの性能を向上させたい場合は、バッテリーの電極材料に取り組み、バッテリーセル内の重量の割合を最大化する必要があります。」

「現在のバッテリーを使用して、車を長距離運転できるようにしたいと考えています。また、ガソリンを満タンにするのにかかる時間と同じくらい、おそらく 5 分から 10 分で車を充電したいと考えています。」

ホンタオ・スン、ペンシルベニア州立大学産業製造工学助教授

より優れた電極によってバッテリーの性能を向上させるという以前の試みは、1 つの指標のみに焦点を当てていましたが、他のトレードオフの指標ではバッテリーのパフォーマンスが低下したため、それほど効果的ではありませんでした。たとえば、バッテリーが高い重量性能 (重量に比べて蓄えることができるエネルギー量) を優先すると、面積性能 (単位面積あたりに蓄えることができる電荷量) が低下したり、体積性能が低下したりする可能性があります (バッテリーのサイズに応じて供給される充電量）。

通常、電池は、2つの電流導体箔の間に配置され、絶縁体セパレーターで分離されたアノードとカソードの薄膜電極で構成されています。これらの電極の厚さを増やすと、エネルギーを貯蔵および放出するためのより多くのスペースが提供され、エネルギー貯蔵容量と密度が向上する可能性があります。より厚い電極はより多くの電荷を蓄えることができるため、より大きなタンクがより多くの水を保持できるのと同様に、より多くのエネルギーを保持できます。ただし、電荷輸送が不十分なため、全体的なパフォーマンスが低下します。