バッテリー技術は、ジャーナルの24年2021月XNUMX日号に記載されています。 科学。 カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアが、LG EnergySolutionの研究者と協力して研究を主導しました。

シリコンアノードは、今日の市販のリチウムイオン電池で最も頻繁に使用されているグラファイトアノードの10倍のエネルギー密度で有名です。 一方、シリコンアノードは、バッテリーの充電と放電に伴って膨張および収縮する方法、および液体電解質で劣化する方法で有名です。 これらの課題により、魅力的なエネルギー密度にもかかわらず、すべてのシリコンアノードが市販のリチウムイオン電池に使用されなくなりました。 に掲載された新作 科学 適切な電解質のおかげで、すべてのシリコンアノードに有望な前進の道を提供します。

「このバッテリー構成により、シリコンなどの合金アノードを使用した全固体電池の新しい領域が開かれます」と、論文の筆頭著者であるダレンHSタンは述べています。 彼は最近、カリフォルニア大学サンディエゴ校ジェイコブス工科大学で化学工学の博士号を取得し、この技術のライセンスを取得したスタートアップUNIGRIDBatteryを共同設立しました。

エネルギー密度の高い次世代の全固体電池は、常にアノードとして金属リチウムに依存してきました。 しかし、それはバッテリーの充電率と充電中の高温（通常は摂氏60度以上）の必要性に制限を課します。 シリコンアノードはこれらの制限を克服し、高いエネルギー密度を維持しながら、室温から低温ではるかに速い充電速度を可能にします。

チームは、室温で500％の容量保持を備えた80回の充電および放電サイクルを提供する実験室規模のフルセルを実証しました。これは、シリコンアノードと全固体電池の両方のコミュニティにとってエキサイティングな進歩を表しています。

グラファイトに代わるアノードとしてのシリコン

もちろん、シリコンアノードは新しいものではありません。 何十年もの間、科学者や電池メーカーは、リチウムイオン電池の従来のグラファイトアノードに混合するか、完全に置き換えるためのエネルギー密度の高い材料としてシリコンを検討してきました。 理論的には、シリコンはグラファイトの約10倍のストレージ容量を提供します。 ただし、実際には、エネルギー密度を高めるためにアノードにシリコンを追加したリチウムイオン電池は、通常、実際の性能の問題に悩まされます。特に、性能を維持しながら電池を充電および放電できる回数は十分に高くありません。

問題の多くは、シリコンアノードとそれらがペアになっている液体電解質の間の相互作用によって引き起こされます。 充電および放電中のシリコン粒子の大量の膨張により、状況は複雑になります。 これにより、時間の経過とともに容量が大幅に失われます。

「バッテリー研究者として、システムの根本的な問題に取り組むことが重要です。 シリコンアノードの場合、大きな問題のXNUMXつは液体電解質界面の不安定性であることを私たちは知っています」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアリング教授であるシャーリーメンは述べています。 科学 紙、およびカリフォルニア大学サンディエゴ校の材料発見と設計研究所の所長。 「まったく異なるアプローチが必要でした」とMeng氏は述べています。

確かに、カリフォルニア大学サンディエゴ校主導のチームは別のアプローチを取りました。彼らは、オールシリコンアノードに付属していたカーボンとバインダーを排除しました。 さらに、研究者たちは、より頻繁に使用されるナノシリコンよりも処理が少なく、安価なマイクロシリコンを使用しました。

オールソリッドステートソリューション

チームは、アノードからすべての炭素とバインダーを除去することに加えて、液体電解質も除去しました。 代わりに、彼らは硫化物ベースの固体電解質を使用しました。 彼らの実験は、この固体電解質がオールシリコンアノードを備えたバッテリーで非常に安定していることを示しました。

「この新しい研究は、シリコンアノードの問題に対する有望な解決策を提供しますが、やるべきことはまだたくさんあります」とMeng教授は述べています。 私たちは、最も厳密な理論的および実験的作業と、創造性および独創的な思考を組み合わせています。 また、困難な根本的な課題を追求しながら、業界パートナーと対話する方法も知っています。」

シリコン合金アノードを商品化するためのこれまでの取り組みは、主にシリコン-グラファイト複合材料、またはナノ構造粒子とポリマーバインダーの組み合わせに焦点を合わせています。 しかし、彼らは依然として安定性の低さに苦しんでいます。

液体電解質を固体電解質に交換すると同時に、シリコンアノードから炭素とバインダーを除去することにより、研究者は、バッテリーが機能するときにアノードが有機液体電解質に浸されるときに発生する一連の関連する課題を回避しました。

同時に、アノードの炭素を排除することにより、チームは固体電解質との界面接触（および不要な副反応）を大幅に減らし、液体ベースの電解質で通常発生する継続的な容量損失を回避します。

このXNUMXつの部分からなる動きにより、研究者はシリコンの低コスト、高エネルギー、環境に優しい特性のメリットを十分に享受することができました。

インパクトとスピンオフの商業化

「ソリッドステートシリコンアプローチは、従来のバッテリーの多くの制限を克服します。 これは、より高い体積エネルギー、低コスト、特にグリッドエネルギー貯蔵用のより安全なバッテリーに対する市場の需要を満たすための刺激的な機会を提供します」と、 科学 紙。

硫化物ベースの固体電解質は、非常に不安定であるとしばしば信じられていました。 ただし、これは、液体電解質システムで使用される従来の熱力学的解釈に基づいており、固体電解質の優れた速度論的安定性を説明していませんでした。 チームは、この直感に反する特性を利用して、非常に安定したアノードを作成する機会を見ました。

タンは、これらのシリコン全固体電池の技術をライセンス供与しているスタートアップ、UNIGRIDBatteryのCEO兼共同創設者です。

並行して、関連する基本的な作業は、LG Energy Solutionとの追加の研究協力を含め、カリフォルニア大学サンディエゴ校で継続されます。

「LGEnergySolutionは、カリフォルニア大学サンディエゴ校でのバッテリー技術に関する最新の研究が、 科学LG EnergySolutionの社長兼最高調達責任者であるKimMyung-hwanは、次のように述べています。 「最新の調査結果により、LG Energy Solutionは、全固体電池技術の実現にはるかに近づき、電池製品のラインナップが大幅に多様化するでしょう。」

「大手バッテリーメーカーとして、LGESは次世代バッテリーセルの最先端の研究における最先端の技術を育成するための努力を続けます」とキムは付け加えました。 LG Energy Solutionは、カリフォルニア大学サンディエゴ校との全固体電池研究のコラボレーションをさらに拡大する計画であると述べました。

この研究は、バッテリー関連の研究を積極的に支援するプログラムであるLG EnergySolutionのオープンイノベーションによってサポートされていました。 LGESは、世界中の研究者と協力して、関連する技術を育成してきました。

論文タイトル： 「硫化物固体電解質によって可能になる炭素を含まない高負荷シリコンアノード」、24年2021月XNUMX日号 科学.

著者： Darren HS Tan、Yu-Ting Chen、Hedi Yang、Wurigumula Bao、Bhagath Sreenarayanan、Jean-Marie Doux、Weikang Li、Bingyu Lu、So-Yeon Ham、Baharak Sayahpour、Jonathan Scharf、Erik A. Wu、Grayson Deysher、Zheng Chenカリフォルニア大学サンディエゴ校ジェイコブス工科大学ナノエンジニアリング学部、化学工学プログラム、および持続可能な電力エネルギーセンター（SPEC）のYing ShirleyMeng氏。 LG Energy Solution、Ltd。のHyea Eun Han、Hoe Jin Hah、Hyeri Jeong、Jeong Beom Lee

資金調達： この調査は、Battery Innovation Contest（BIC）プログラムを通じて、LG EnergySolution社によって財政的に支援されました。 ZCは、カリフォルニア大学サンディエゴ校のJacob School ofEngineeringからのスタートアップ資金支援からの資金提供を認めています。 YSMは、Zable Endowed ChairFundからの資金援助を認めています。