新しいプライミング方法によりバッテリー寿命が最大 44% 向上

ライス大学2023年7月8日

ライス大学の研究者らは、シリコンアノードを安定化されたリチウム金属粒子でコーティングするプロセスであるプレリチエーションを使用して、リチウムイオン電池の寿命を延ばす拡張可能な方法を開発し、電池寿命を最大44%向上させた。

エネルギー貯蔵ソリューションを変革するシリコン負極電池の可能性は、気候変動目標に取り組み、電気自動車の機能を完全に実現する上で極めて重要です。

それにもかかわらず、シリコンアノードにおけるリチウムイオンの継続的な損失は、次世代リチウムイオン電池の開発にとって大きな障害となっています。

ライス大学ジョージ・R・ブラウン工学部の科学者らは、安定化されたリチウム金属粒子（SLMP）でシリコン陽極をコーティングすることでリチウム損失を軽減し、電池の寿命サイクルを改善するプロセスであるプレリチウム化を最適化する、容易に拡張可能な方法を開発した。

クアン・グエン氏（左）、シバーニ・リサ・ビスワル氏、および共同研究者らは、シリコン負極を備えたリチウムイオン電池の性能向上に役立つプレリチウム化技術を開発した。 クレジット: Jeff Fitlow/ライス大学

化学・生体分子エンジニアのシバーニ・リサ・ビスワル氏のライス研究室は、粒子と界面活性剤の混合物でアノードをスプレーコーティングすると、電池寿命が22％から44％向上することを発見した。 より多くの量のコーティングを備えたバッテリーセルは、最初により高い安定性とサイクル寿命を達成しました。 ただし、欠点もありました。フル容量でサイクルした場合、粒子コーティングの量が増えるとリチウムの捕捉が増加し、その後のサイクルでバッテリーの劣化が早くなります。

この研究は、ACS Applied Energy Materials に掲載されています。

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">原子は最大 4 つのリチウムイオンと結合できます。

クアン・グエン氏は化学および生体分子工学の博士号取得者であり、この研究の筆頭著者である。 クレジット: Jeff Fitlow/ライス大学

「シリコンは、リチウムイオン電池のアノード側のエネルギー密度を実際に向上させる能力を備えた材料の1つです」とビスワル氏は述べた。 「それが、現在電池科学においてグラファイト負極をシリコン負極に置き換えようとする動きがある理由です。」

ただし、シリコンには課題を引き起こす他の特性もあります。

「シリコンの大きな問題の一つは、実際にリチウムを消費する固体電解質界面層またはSEI層と呼ばれるものを継続的に形成していることだ」とビスワル氏は述べた。

この層は、バッテリーセル内の電解質が電子およびリチウムイオンと反応するときに形成され、その結果、アノード上にナノメートルスケールの塩の層が堆積します。 層が形成されると、電解質がアノードから絶縁され、反応の継続が妨げられます。 ただし、SEI はその後の充電と放電のサイクル全体を通じて破損する可能性があり、再形成するにつれて、バッテリーのリチウム埋蔵量が不可逆的にさらに消耗します。

クアン・グエンさん（左）とシバーニ・リサ・ビスワルさん。 クレジット: Jeff Fitlow/ライス大学

「シリコン陽極の体積は電池のサイクル動作に応じて変化し、それによりSEIが破壊されたり、不安定になったりする可能性があります」と化学・生体分子工学の博士号取得者であり、この研究の筆頭著者であるクアン・グエン氏は述べた。 「私たちは、この層がバッテリーのその後の充電と放電サイクルを通じて安定した状態を維持することを望んでいます。」

Biswal 氏と彼女のチームが開発したプレリチウム化法は、SEI 層の安定性を向上させます。つまり、形成時に消耗するリチウム イオンが少なくなります。