リチウムイオン電池の寿命を延長する新コポリマーバインダー

1年以上のスマートフォンを所有している人であれば内蔵のリチウム（Li）イオン電池が新しい機器であるときに限り、充電されていないという事実を知っているでしょう。 リチウムイオン電池の劣化は、携帯用電子機器の寿命を大幅に制限する深刻な問題であり、間接的に膨大な量の汚染と経済的損失をもたらします。 また、リチウムイオン電池が耐久性が低いという事実は、電気自動車や再生可能エネルギーの収穫市場に多大な障害となります。 これらの問題の深刻さを考慮すると、研究者が、リチウムイオン電池の最先端の設計を改善するための方法を積極的に探しているのは驚くべきことではありません。

リチウムイオン電池で、時間の経過に応じて容量が減少する主な原因の一つは、広く使用されて黒鉛陽極（バッテリーのマイナス端子）のパフォーマンスの低下です。 陽極（またはアノード端子）と電解質（または両方の端子の間に電荷を伝達する媒体）と一緒に陽極は、バッテリの充電と放電のための電気化学反応が発生する可能性のある環境を提供しています。 しかし、黒鉛は使用のために離れていくことを防止するためにバインダーが必要です。 今日最も広く使用されてバインダーであるポリ（フッ化ビニリデン）（PVDF）は、理想的な材料とは距離が遠い一連の欠点を持っています。

これらの問題を解決するためにJAIST（Japan Advanced Institute of Science and Technology）の研究チームは、ビス – イミノ – アセチルナフネキノン – パラフェニレン（BP）共重合体で作られた新しいタイプのバインダーを調査しています。 彼らの最新の研究では、 ACSアプリケーションエネルギー材料、Noriyoshi Matsumi教授が率いTatsuo Kaneko教授、上級講師Rajashekar Badam、Ph.D. 学生Agman Gupta、元ポスドクAniruddha Nag。

次に、BP共重合体が黒鉛陽極用の既存PVDFバインダーよりも性能が優れていますか？ まず、BPバインダーは、はるかに優れた機械的安定性と陽極接着を提供しています。 これは部分的にビス – イミノ – アセチルナフねキノングループと黒鉛との間のいわゆるπ-π相互作用と共重合体のリガンドは、バッテリの銅集電体によく付着しているからです。 第二に、BP共重合体は、PVDFよりもはるかに導電性が高いだけでなく、抵抗の少ない、より薄い導電性固体電解質のインターフェイスを形成します。 第三に、BP共重合体は、電解質と、簡単に反応していない分解を大きく防止します。

研究者が実験測定により実証したように、これらのすべての利点が結合され、いくつかの深刻なパフォーマンスの向上をもたらした。 「PVDFをバインダーとして使用する半電池は約500回の充電 – 放電サイクル後に元の容量の65％に過ぎないが、BP共重合体をバインダーとして使用した半電池は、1700回以上のこれらのサイクル後95％の容量維持率を示ししました。」、松米教授が強調します。 BPコポリマーベースの半電池はまた、非常に高く安定したクーロン効率を見せてくれたが、これ与えられた周期で電池に出入りする電荷の量を比較する尺度です。 これはまた、バッテリーの長期的な耐久性を示します。 サイクリングの前後に走査電子顕微鏡で撮影したバインダーの画像は、BPコポリマーの小さな亀裂が、形成された一方、PVDFは、すでに全体のサイクル数の3分の1未満に大きな亀裂が形成されたことを示しています。

この研究の理論的および実験的発見は、長期的なリチウムイオン電池を開発する道を開きます。 結果的にMatsumi教授は「耐久性バッテリーの実現は、長期使用のための、より信頼性の高い製品の開発に役立つことです。これは、消費者が、より高価なバッテリーを購入することを奨励することです。」と説明しました。 電気自動車のようなベース資産は、長年にわたって使用されています。 “彼はまた、特定の心臓病の患者のように、人工臓器に依存する人々に、耐久性のあるバッテリーが良いニュースになると言いました。もちろん、毎日のスマートフォン、タブレット、ノートパソコンをどの程度使用して充電するかを考慮すると、一般大衆にも役立つになります。

日本の科学技術院提供