18秒でフル充電？ ！ 家を出て電池切れになる心配はもうありません。

電池をエネルギー源とする携帯電話やパソコン、タブレットなどが私たちの生活の一部となり、「電気不安」に悩む人が増えている一方で、新エネルギー自動車の普及が加速しています。これにより、長時間バッテリーをより速く充電することがますます困難になりました。 もう少し早くバッテリーを充電してください！ これが全員の共通の願いとなった。

その願いはもうすぐ叶うかもしれません。 最近、中国科学技術大学国立放射光実験室のソン・リー教授のチームは、急速充電機能を備えたバッテリーを開発した。

 

今日はこの研究について詳しくお話します。

 

リチウムイオン電池は、エネルギー貯蔵装置として広く知られています。 高いエネルギー密度と広い動作温度範囲という利点により、リチウムイオン電池は市販の電池の大部分を占めています。 しかし、使用されている有機電解液は人体に一定の有害性があり、リチウム資源の不足は将来の電池市場の不足につながる。

 

エネルギー貯蔵分野の新たな才能である亜鉛イオン電池は、理論上のエネルギー密度が高いだけでなく、非毒性の水電解質を備えているため、安全で効率的な生産と応用が保証されます。 さらに、安価で豊富な亜鉛資源により電池の使用コストも大幅に削減され、将来的にはリチウムイオン電池の代替品となることが期待されています。

材料の使用には多くの違いがありますが、充放電プロセスにおける亜鉛イオン電池とリチウムイオン電池の動作状態は非常に似ています。

 

電池の正極材料は多くの場合層状になっています。電池の放電プロセス中に、リチウムイオン（または亜鉛イオン）が貯蔵のために正極材料の層に埋め込まれます。 バッテリーの充電プロセス中に、リチウムイオン (または亜鉛イオン) が正極材料層から放出され、負極に戻ります。

一般に、バッテリーの動作原理は、イオン移動と電子移動のプロセスです。

バッテリーの急速充電の原理

では、この科学研究では、バッテリーの急速充電はどのようにして実現されているのでしょうか?

 

1. イオン輸送チャネルを拡大する

 

上で述べたように、亜鉛イオン電池の充電および放電プロセスは、連続的なイオン移動のプロセスです。 短期間にできるだけ多くのバッテリー容量を蓄えたい場合は、亜鉛イオンのための大きな貯蔵スペースを作成する必要があります。

 

まず、研究者らは、空間構造を調整できる層状五酸化バナジウム材料に焦点を当てました。 層状の五酸化バナジウム材料は、あたかも複数の平行なプレートが配置されているかのような構造になっています。 層状カソード材料の層間隔を広げるために、より大きなアンモニウムイオンを事前に挿入することができる。 これは、これらの層の間に事前にいくつかの柱を追加して、層間隔を広げるためです。

 

アンモニウムイオンのサポートにより、亜鉛イオンが正極材料内をより容易に移動できるようになり、層間空間が大きくなるため、電池のエネルギー貯蔵容量も効果的に向上します。

 

 

2. 軌道占有の調整から電子伝達の加速まで

バッテリーのエネルギー貯蔵プロセスはイオン移動と電子移動に密接に関連していることを知っておくことが重要です。 亜鉛イオンが貯蔵のためにカソード材料層に入ると、全体の電荷バランスを維持するために一部の電子もカソード材料に移動します。 したがって、層状材料の電子構造に対する挿入イオンの影響を研究することも非常に重要です。

 

しかし、従来の試験方法では、材料の内部の原子および電子構造を明確に調査することは困難です。 したがって、検出にはより高度な放射光特性評価技術が必要です。 放射光技術は、一言で言えば、高輝度・広帯域特性を利用して物質の内部構造を観察する「スーパー顕微鏡」の発展版と言えます。

この技術を使用して、研究者らは、層間にアンモニウムイオン柱を挿入した後の五酸化バナジウム材料中の原子軌道占有の変化と、充電と放電のプロセスの可逆的進化を調査しました。

 

ここではまず電子構造の基本概念を紹介します。

 

核外電子を持つ元素の場合、その電子は乱雑ではなく、軌道上に配置されます。 さらに、電子は常に最初に低エネルギー軌道、つまり内側から外側に配置された中心の原子核を占めます。

 

バナジウムの価電子配置は以下に示されており、外層には 5 つの価電子があります。 五酸化バナジウムでは、5 つの電子すべてが酸素原子との結合に使用されます。 この時点で、バナジウムの 3d 軌道は、電子が占有していない空の軌道です。

 

 

3. 結晶構造と電子構造の二重制御により急速充電と安定サイクルを実現

この新しい正極材料を使用すると、亜鉛イオン電池は電流密度 200C で 101mAh/g の容量を達成し、充電にかかる時間はわずか 18 秒です。 同時に、水電解質は循環プロセスの安全性を確保し、環境への汚染を軽減します。

 

本論文では、層状物質の層間隔や軌道占有状態を物質の結晶構造や電子構造から設計・制御する。 同時に、高度な放射光特性評価手段と組み合わせることで、材料構造の進化がより直感的かつ明確になり、急速充電特性を備えた正極材料が可能になります。

 

おそらく近い将来、そのような材料は電子製品や公共交通機関にも使用されるようになるでしょう。 充電時間の大幅な短縮により、人々の生活がより効率的かつ便利になります。 安全でクリーンな電池材料は環境負荷の軽減にもつながります。 テクノロジーの進歩により、その日は遠くないと信じてください。