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世界には人よりも携帯電話が多い。これらのほとんどすべてが、充電可能なリチウムイオン電池で駆動されています。これは、過去数十年のポータブルエレクトロニクス革命を可能にする単一の最も重要なコンポーネントです。特に重くならずに、少なくとも数時間持続するのに十分な電力がなければ、これらのデバイスのどれもユーザーにとって魅力的ではありません。
リチウムイオン電池は、電気自動車やスマートグリッドエネルギー貯蔵システムなどの大規模用途にも役立ちます。そして、リチウムイオン電池を改良しようとする材料科学の研究者の革新は、さらに優れた性能でさらに多くの電池への道を開いています。引火したり爆発したりすることのない大容量バッテリーの需要がすでにあります。そして、多くの人が数分、あるいは数秒で充電する小型で軽量の電池を夢見ていますが、それでも数日間デバイスに電力を供給するのに十分なエネルギーを蓄えています。
私のような研究者は、しかし、もっと冒険的に考えています。車やグリッドストレージシステムは、何年も、あるいは何十年もの間、何万回も放電や充電ができれば、さらに優れたものになるでしょう。メンテナンス作業員と顧客は、自分自身を監視し、損傷していたりピーク性能で機能しなくなった場合、または自分で修理できた場合でも警告を送信できるバッテリーを好むでしょう。また、二重目的のバッテリーをアイテムの構造に統合して、スマートフォン、自動車、建物の形を整えながら機能を強化することを夢見ることはできません。
私の研究や他の研究者が科学者や技術者を個々の原子の規模で物質を制御し処理することにこれまで以上に熟達させるのに役立つので、それらすべてが可能になるかもしれません。
新興材料
ほとんどの場合、エネルギー貯蔵の進歩は、既存の電池材料の性能の限界を押し広げ、全く新しい電池構造および組成物を開発することによる材料科学の継続的な発展に依存するだろう。
電池業界はすでに、正極と呼ばれる高価なコバルトを正極から除去するなど、リチウムイオン電池のコスト削減に取り組んでいます。世界でも有数のコバルトの供給源であるコンゴの鉱山の多くは、困難な肉体労働をするために子供たちを使用しているため、これによってこれらのバッテリーの人件費も削減されます。
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研究者たちは、コバルトを含む材料を大部分がニッケルでできているカソードで置き換える方法を見つけています。結局、彼らはニッケルをマンガンに置き換えることができるかもしれません。それらの金属のそれぞれは、その前任者よりも安価で、より豊富で、そして安全に使用できます。しかし、彼らは彼らのバッテリーの寿命を短くする化学的性質を持っているので、それらはトレードオフを伴います。
研究者たちはまた、2つの電極間を移動するリチウムイオンを、ナトリウム、マグネシウム、亜鉛、またはアルミニウムをベースにしたもののように、より安価で潜在的により安全なイオンおよび電解質で置き換えることを検討しています。
私の研究グループは、二次元の材料、本質的に非常に薄いシートの物質に有用な電子特性を使用する可能性を調べています。グラフェンはおそらくこれらの中で最もよく知られている - わずか1原子の厚さの炭素のシートです。さまざまな二次元材料の層を積み重ねてから、その積み重ねを水または他の導電性液体で浸透させることが、非常に急速に再充電する電池の重要な構成要素になり得るかどうかを見たい。
電池の中を見る
電池の革新の世界を広げるのは、新しい材料だけではありません。新しい機器と方法によって、電池の内部で起こっていることを以前よりもはるかに簡単に確認できます。
過去に、研究者は特定の充放電プロセスまたはサイクル数を通して電池を走らせて、そしてその後電池から材料を取り除いて、そして事後それを調べました。そのとき初めて、学者はプロセス中にどのような化学的変化が起こったのかを知り、電池が実際にどのように機能したか、そしてその性能に影響を与えたのかを推測することができました。
しかし今では、研究者は電池材料をエネルギー貯蔵プロセスを経て観察し、原子構造や組成さえもリアルタイムで分析することができます。シンクロトロンと呼ばれる粒子加速器のタイプで利用可能なX線技術、そして電子顕微鏡と走査プローブを使用して、エネルギーが物質に蓄えられ、物質から放出されるにつれてイオンが移動し物理構造が変化するのを見ることができます。バッテリーで。
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これらの方法は私のような研究者に新しい電池の構造と材料を想像させ、それらを作りそしてそれらがどれほどうまく機能するか - あるいはうまくいかないかを見ることを可能にする。そうすれば、電池材料の革命を続けることができるでしょう。
この記事はもともとVeronica AugustynによってThe Conversationに掲載されました。ここで元の記事を読んでください。