スプーン一杯の砂糖で、より長持ちするリチウム硫黄電池を開発

スプーン一杯の砂糖で、より長持ちするリチウム硫黄電池 テクノロジー

モナッシュ・エネルギー研究所の研究者たちは、航空機、電気自動車、潜水艦などに不可欠なリチウムイオン電池に、砂糖を加えるだけで、より長持ちし、より軽く、より持続可能な電池を開発しました。

CSIROの支援を受けたモナッシュ大学チームは、本日発行のNature Communications誌で、正極にグルコースベースの添加剤を使用することで、次世代電池の基礎として注目されているリチウム-硫黄電池技術を安定化させることに成功したと報告しています。

この技術は、10年以内に、メルボルンからシドニーまで充電なしで移動できる電気バスや電気トラックなどの自動車につながる可能性があります。

理論的には、リチウム硫黄電池は、同じ重量のリチウムイオン電池に比べて2~5倍のエネルギーを蓄えることができます。しかし、実際に使用してみると、電極の劣化が激しく、電池が壊れてしまうという問題がありました。原因は2つあり、正極の硫黄電極が大幅に膨張・収縮して弱くなり、リチウムにアクセスできなくなったことと、負極のリチウム電極が硫黄化合物で汚染されてしまったことです。

昨年、モナッシュ大学のチームは、硫黄電極の構造を開いて膨張に対応し、リチウムにアクセスしやすくすることを実証しました。今回は、電極の網目状の構造に糖を組み込むことで、硫黄を安定化させ、硫黄が移動してリチウム電極を覆ってしまうのを防ぎました。

研究チームが試作したテストセルは、同等のリチウムイオン電池よりもはるかに高い容量を維持しながら、少なくとも1,000サイクルの充放電寿命1 寿命として記載しているサイクル数とは、このサイクルを何回繰り返すと性能が劣化するかを示しています。を持つことが確認されています。筆頭著者で博士課程の学生であるYingyi Huang氏は、「1回の充電で長持ちするので、電池の寿命が延びます」と語る。「また、この電池の製造には、エキゾチックで有毒な高価な材料は必要ありません。

Yingyi氏たちは、1988年に発表された地球化学の報告書に、糖質系の物質が硫化物と強い結合を形成することで、地層中での分解に耐えるという記述があることにヒントを得ました。

第2著者でモナシュ大学の研究者であるMahdokht Shaibani博士は、「電池の正極側の課題の多くは私たちのチームによって解決されましたが、この有望な技術の大規模な導入を可能にするためには、リチウム金属負極の保護に関するさらなるイノベーションが必要です。」と述べています。

このプロセスは、モナッシュ大学のチームが開発し、CSIRO ManufacturingのMatthew Hill博士の研究グループが大きく貢献しました。

モナシュ大学のリチウム・硫黄電池研究プログラムは、連邦政府のオーストラリア研究評議会および産業・革新・科学省の支援を受けています。また、この研究は、タイのエンサーブグループのオーストラリア子会社であるクリーンフューチャー・エナジー・オーストラリアからも支援を受けています。

エンサーブ・オーストラリア社は、世界最大のリチウム生産国であるオーストラリアで電池の開発・製造を行いたいと考えています。 エンサーブ・オーストラリアのマネージング・ディレクターであるMark Gustowski氏は、「この技術を利用して、成長する電気自動車や電子機器の市場に参入することを考えています。」
「我々は、約5年以内にオーストラリアのリチウムを使って、オーストラリアで最初のリチウム硫黄電池を作る予定です。」と語ります。

Published by Monash University. Yingyi Huang et al, A saccharide-based binder for efficient polysulfide regulations in Li-S batteries, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25612-5

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