JAIST研究者、超高速充電のための有望な陽極材料の開発

既存のリチウムイオン電池の充電時間を緩和するために、日本科学技術研究所（JAIST）の科学者たち 開発された 超高速充電が可能なリチウムイオン電池（LIB）用の新しいカソード素材。 バイオベースのポリマーのか焼を含む、シンプルで環境に優しい、効率的なアプローチによって製造されたこの新しい材料は、数千サイクルの初期容量の大部分を維持しました。 彼らの仕事に関する論文がジャーナルに掲載されます。 化学コミュニケーション。

リチウムイオン電池用に非常に有望なカソード材料。
提案された材料を高速充填に理想的にする主な機能のいくつかは、高窒素含有量と向上した層間間隔で、集合的に層を横切って層間でより速いリチウムイオン力学を可能にします。 さらに、提案された陽極材料は非常に安定しており、数千サイクル後も元の容量の大部分を維持します。 イメージクレジット：日本科学技術研究所のノリヨシ・マツミ

LIBの充電時間を短縮する1つの方法は、リチウムイオンの拡散速度を高めることです。これは、バッテリーアノードに使用される炭素ベースの材料の層間距離を増やすことによって達成できます。 これは窒素不純物（技術的に窒素ドーピングと呼ばれる）を導入することによってある程度成功を収めましたが、層間距離を制御したりドーピング要素を集中させるために簡単に使用できる方法はありません。

このような背景から、JAISTの科学者チームは最近、LIBの超高速充電につながる可能性のある陽極の製造方法を開発しました。 この戦略は、窒素含有量が非常に高い炭素ベースの陽極を製造する比較的簡単で環境的に健全で非常に効率的な方法である。

陽極の前駆体物質は、生物学的起源の原料から合成できるバイオベースの高分子であるポリ（ベンズイミダゾール）です。 この熱的に安定な材料を800℃で焼成することで、チームは17重量％の記録的な窒素含有量を持つ炭素陽極を製造することができました。 彼らはこの物質の成功した合成を確認し、走査型電子トンネリング顕微鏡、ラマン分光法、およびX線光電子分光法を含むさまざまな技術を使用して構成および構造特性を研究しました。

陽極の性能をテストし、より一般的な黒鉛と比較するために、研究者は半電池と完全電池を作り、充放電実験を行った。 提案された陽極材料は、リチウムイオン力学が改善され、高速充填に適していることが証明されたため、結果は非常に有望であった。 また、耐久性試験で提案された正極材料を使用した電池は、高速度で3,000回の充放電サイクル後も初期容量の約90％を維持することが示されています。 これは、グラファイトベースの電池が保持する容量よりもはるかに大きい。

提案された陽極材料の別の注目すべき利点は、合成にバイオベースのポリマーを使用することである。 低炭素技術により、素材は自然にCOを低減する相乗効果につながります。₂ さらに進む。

ポリマー前駆体の構造を変更すると、はるかに優れた性能が得られ、これはEVだけでなく、ポータブル電子機器のバッテリーとも関連する可能性があります。 最後に、耐久性の高いバッテリーの開発は、再生不可能なリソースである希少金属の世界的な消費を減らすでしょう。

資源

• Kottisa Sumala Patnaik, Rajashekar Badam, Yueying Peng, Koichi Higashimine, Tatsuo Kaneko and Noriyoshi Matsumi (2021) 「バイオベースポリマー由来高窒素ドープカーボンを使用した超高速充電リチウムイオン電池」 化学通信。、57、13704-13707 doi： 10.1039/D1CC04931C