- エンジニアは、純粋なシリコンアノードを備えた高性能全固体電池を作成します
韓国ソウル, 9月23、2021 / PRNewswire / —エンジニアは、XNUMXつの有望なバッテリーサブフィールドをXNUMXつのバッテリーに織り込む新しいタイプのバッテリーを作成しました。 バッテリーは、固体電解質と全シリコンアノードの両方を使用しているため、シリコン全固体バッテリーになっています。 テストの最初のラウンドは、新しいバッテリーが安全で、長持ちし、エネルギー密度が高いことを示しています。 グリッドストレージから電気自動車まで、幅広いアプリケーションに期待できます。
バッテリー技術は、 24 9月、2021 ジャーナルの発行 科学. カリフォルニア大学サンディエゴ校 ナノエンジニアは、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」と述べています。 ダレンHSタン、論文の筆頭著者。 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に制限を課し、充電中は高温（通常は摂氏60度以上）が必要になります。 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XNUMX倍のストレージ容量を提供します。 実際には, ただし、エネルギー密度を高めるためにアノードにシリコンが追加され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は述べています。 シャーリー・メン、の対応する著者 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。彼らは炭素を排除し、バインダーはすべてシリコンのアノードを使用しました。 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」と教授は述べています。 シャーリー・メン、「このプロジェクトは、ここUCサンディエゴでのバッテリー研究へのアプローチの検証と見なしています。 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。」
主にシリコン合金アノードを商業化するための過去の取り組み 焦点を当て シリコン-グラファイト複合材料上で、またはナノ構造粒子をポリマーバインダーと組み合わせることによって。 しかし、彼らはまだ 苦労 安定性が悪い。
液体電解質を固体電解質に交換すると同時に、炭素と結合剤をから除去することによって シリコン アノード、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」と述べています。 ダレンHSタン、の最初の著者 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」、 9月24、2021 の問題 科学。
作成者
ダレンHSタン, チェン・ユーティン, ヘディヤン、Wurigumula Bao、Bhagath Sreenarayanan、 ジャン=マリー・ドゥ, ウェイカン・リー, ビンギュ・ルー、ソヨンハム、バハラックサヤープール、 ジョナサン・シャーフ, エリック・A・ウー, グレイソンデイシャー, 鄭陳 & イン・シャーリー・メン ナノエンジニアリング部門、化学工学プログラム、および持続可能な電力およびエネルギーセンター（SPEC）から 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; Hyea Eun Han、Hoe Jin Hah、 ヘリジョン, イ・ジョンボム、LG Energy Solution、Ltdから。
資金調達
この研究は、バッテリーイノベーションコンテスト（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、Jacob School ofEngineeringのスタートアップファンドサポートからの資金提供を認めています。 カリフォルニア大学サンディエゴ校。 YSMは、Zable Endowed ChairFundからの資金援助に感謝します。
LGエナジーソリューションについて
LG エナジー ソリューションは、電気自動車 (EV)、モビリティおよび IT アプリケーション、およびエネルギー貯蔵システム (ESS) 向けの高度なリチウムイオン バッテリーを提供するグローバル リーダーです。 高度なバッテリー技術で30年の経験を持ち、持続可能な生活の実現に向けて急速に成長し続けています。 24,000 人を超える従業員が、米国にまたがる堅牢なグローバル ネットワークで働いています。 ヨーロッパ, アジア, オーストラリア、LG エナジー ソリューションは、未来のエネルギーをさらに一歩近づける革新的な技術の開発にこれまで以上に取り組んでいます。 詳細については、 https://www.lgensol.com.
出典 LGエネルギーソリューション
関連リンク
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