Nanotechnology Now - プレスリリース: 電池の化学について熱が教えてくれること: ペルチェ効果を使用してリチウムイオン電池を研究する

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研究者らは、電流がリチウムイオン電池セル内でどのように熱を発生させて流れるかを研究した。熱は電流と反対に流れ、電流がセルに入る側の温度が高くなります。

CREDIT
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校グレンジャー工科大学

要約：
バッテリーは通常、電圧や電流などの電気的特性によって研究されますが、新しい研究では、電気に関連して熱がどのように流れるかを観察することで、バッテリーの化学について重要な洞察が得られる可能性があることが示唆されています。

熱が電池の化学について教えてくれること: ペルチェ効果を利用したリチウムイオン電池の研究

イリノイ州アーバナ |投稿日: 8 年 2024 月 XNUMX 日

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究チームは、電流によってシステムが熱を奪うペルチェ効果を利用して、リチウムイオン電池セルの化学的特性を研究する方法を実証した。『Physical Chemistry Chemical Physics』誌に報告されたこの技術により、リチウムイオン電解質のエントロピー、つまりリチウムイオン電池の設計に直接影響を与える熱力学的特徴を実験的に測定できるようになりました。

「私たちの研究は、溶解したリチウムイオンの基本的な熱力学を理解することです。その情報は、バッテリー用のより優れた電解質の開発に役立つことを期待しています」と、プロジェクトリーダーであり、アイオワ大学材料科学工学教授のデビッド・ケーヒル氏は述べた。「ペルチェ効果における電荷と熱の結合輸送を測定することで、溶解イオンの化学構造とバッテリーの他の部分とどのように相互作用するかに密接に関連する量であるエントロピーを推定することができます。」

ペルチェ効果は、冷却や冷凍に使用されるソリッドステートシステムでよく研究されています。しかし、リチウム電解質のようなイオン系ではまだほとんど研究されていません。その理由は、ペルチェ加熱と冷却によって生じる温度差が他の効果に比べて小さいためです。

この障壁を克服するために、研究者らは摂氏 10 万分の 1 度を分解できる測定システムを使用しました。これにより、研究者らはセルの両端間の熱を測定し、それをセル内のリチウムイオン電解質のエントロピーの計算に使用できるようになりました。

「私たちは巨視的な特性を測定していますが、それでもイオンの微視的な挙動に関する重要な情報が明らかになります」と、ケーヒル研究グループの大学院生で、この研究の共同筆頭著者であるロージー・ファン氏は述べた。「ペルチェ効果と溶液のエントロピーの測定は、溶媒和構造と密接に関係しています。これまで電池研究者はエネルギー測定に頼っていましたが、エントロピーはその情報を補完し、システムのより完全な全体像を与える重要な情報を提供するでしょう。」

研究者らは、リチウムイオンの濃度、溶媒の種類、電極の材質、温度によってペルチェ熱流がどのように変化するかを調査した。いずれの場合も、熱流が溶液中のイオン電流と逆向きに流れることが観察され、これはリチウムイオンの溶解によるエントロピーが固体リチウムのエントロピーより小さいことを意味している。

リチウムイオン電解質溶液のエントロピーを測定できることにより、バッテリーの充電サイクルを制御するイオンの移動度、およびバッテリーの寿命の重要な要素である溶液と電極の相互作用についての重要な洞察が得られます。

「電池設計の過小評価されている側面は、液体電解質が電極と接触したときに化学的に安定していないことです」とケーヒル氏は述べた。「それは常に分解し、固体電解質界面と呼ばれるものを形成します。バッテリーを長いサイクルにわたって安定させるには、その界面の熱力学を理解する必要があり、これが私たちの手法で役立ちます。」

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Zhe Cheng 氏は、この研究の 2 番目の共同主著者です。 Beniamin Zahiri 氏、Patrick Kwon 氏、I 大学材料科学工学教授 Paul Braun 氏もこの研究に貢献しました。

研究者の論文「リチウムイオン電解質におけるイオンペルチェ効果」はオンラインで入手できます。 DOI: 10.1039/d3cp05998g

支援は、米国陸軍建設工学研究所と米国エネルギー省基礎エネルギー科学局材料科学工学部門によって提供されました。

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コンタクト：
カサンドラ・スミス
イリノイ大学グレインジャー工科大学

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