グラフェン酸化物ナノシートは、リチウム金属電池の市場投入に役立ちます

Anonim

現在、携帯電話、ノートパソコン、車に電力を供給しているリチウムイオン電池の10倍以上の充電を可能にするリチウム金属電池は、致命的な欠陥のため商業化されていません。電極上に不均一に堆積する。 この蓄積は、これらの電池の寿命を短くして電池を短くし、より重要なことに、電池を短絡させて火災を起こす可能性がある。

現在、シカゴのイリノイ大学の研究者らは、リチウム金属電池の2つの電極の間に置かれた場合、リチウムの不均一なめっきを防止する、グラフェン酸化物でコーティングされた「ナノシート」の形でこの問題に対する解決策を開発したバッテリを安全に数百回の充放電サイクルを実行することができます。 彼らは彼らの発見をJournal Advanced Functional Materialsに 報告している。

「今回の研究結果は、二次元の材料(この場合、酸化グラフェン)が、リチウム金属電池の寿命を延ばすような方法でリチウムの析出を制御することができることを実証しています」と、機械・工業技術准教授のReza Shahbazian-Yassar UICカレッジ・オブ・エンジニアリングとそれに対応する論文の著者。

リチウム金属電池は、そのエネルギー密度が高く、従来の電池に比べて軽量であるため、非常に有用である。 しかし、多くの充放電サイクルの間に、リチウムは、分岐または「樹状突起」パターンで電池のリチウム金属電極上に不均一に蓄積し、最終的に電池が消耗する。 デンドライトが電解質溶液を通って成長し、他の電極と接触すると、電池は破局的事象、すなわち爆発または火災を経験することがある。

リチウムイオン電池では、セパレータが電解液中に配置される。 通常、多孔質ポリマーまたはガラスセラミックファイバーでできていますが、セパレーターはリチウムイオンを流しながら他のコンポーネントをブロックして電気的短絡を防ぎ、火災の原因となります。

Rezaらは、リチウム金属の電池に改質されたセパレータを使用してリチウムイオンの流れを調節し、リチウムの付着速度を制御し、樹状突起が形成されないようにするかどうかを確認しました。 グラファイトセパレータに酸化グラフェンをスプレーコーティングし、ナノシートと呼ばれるものを製造しました。

研究者らは、走査型電子顕微鏡や他のイメージング技術を用いて、ナノシートをリチウム金属電池に使用すると、リチウム電極の表面に均一なリチウム膜が形成され、実際に電池機能が向上し、 UICカレッジオブカリキュラムの大学院生で、本研究の最初の著者であるタラフォルザン(Tara Foroozan)。

テキサスA&M大学の研究者チームが率いる分子シミュレーションは、リチウムイオンがグラフェン酸化物に一時的に結合し、シート中のナノスケールの欠陥の領域を拡散することを示唆している。 これは、リチウムイオンの通過を遅延させて、電極上の樹枝状のリチウムの堆積を防止する。

「ナノシートは、リチウムイオンの通過を遅らせ、リチウムイオンの電極表面全体に均一なメッキが可能となり、電池の寿命を延ばすことができます。

Farzad Mashayek、UIC大学工学部機械工学科の教授であり論文の著者であるフェーズフィールドモデリング計算の結果は、酸化グラフェンがリチウムデンドライトの成長を機械的に抑制できることを示した。

「二次元グラフェン酸化物材料は、グラファイト酸化物層を通過する際にリチウムイオン拡散速度を変えることによって、樹状突起の形成を妨げることができることを示している」とShahbazian-Yassarは述べた。 「この方法は、産業上の用途とスケーラビリティの可能性が非常に高い」

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