不活性化されたリチウムイオン電池を甦えさせる「復活するリチウムイオン電池」

充電を繰り返したリチウムイオンは、電極から切り離され不活性化し、蓄電機能を失います。
が、不活性リチウムが電極と再結合し、電池の容量と寿命を回復させる技術が実証されました。

Researchers at the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory and Stanford University may have found a way to revitalize rechargeable lithium batteries, potentially boosting the range of electric vehicles and battery life in next-gen electronic devices.

参照元：https://www6.slac.stanford.edu/news/2022-01-03-revitalizing-batteries-bringing-dead-lithium-back-life.aspx
– SLAC国立加速器研究所 SLAC National Accelerator Laboratory. January 3, 2022 –

エネルギー省SLAC国立加速器研究所とスタンフォード大学の研究者は、リチウム二次電池を活性化する方法を発見し、電気自動車の走行距離や次世代電子機器のバッテリー寿命を向上させる可能性があることを明らかにしました。

リチウム電池は、充電を繰り返すうちに、電極から切り離された不活性なリチウムの小さな島が蓄積され、電池の蓄電能力が低下していきます。

しかし、研究チームは、この「死んだ」リチウムを、虫のように一方の電極に向かって移動させ、再接続させることで、不要なプロセスを部分的に逆転させることができることを見いだした。

この方法を用いると、電池の劣化が抑えられ、寿命が30％近く延びました。

スタンフォード大学の博士研究員であるファン・リュー氏は話します。

「私たちは現在、極めて高速の放電工程を利用して、リチウムイオン電池の失われた容量を回復させる可能性を探っています。」

失われた接続

現在、携帯電話やノートパソコン、電気自動車に使われているリチウムイオン技術よりも軽量で寿命が長く、安全性が向上し、充電速度が速い二次電池を作る方法は、多くの研究者によって模索されています。

特に、体積や重量あたりのエネルギーをより多く蓄えることができるリチウム金属電池の開発に力を入れています。

例えば、電気自動車では、この次世代電池を使うことで、1回の充電あたりの走行距離が延び、トランクルームのスペースも小さくできる可能性があります。

どちらの電池も、正電荷を帯びたリチウムイオンが電極の間を行き来しています。

しかし、時間が経つと金属リチウムの一部が電気化学的に不活性になり、電極と結合しないリチウムの島が形成されます。

その結果、容量が低下し、リチウム金属技術やリチウムイオン電池の急速充電において、特に問題となります。

しかし、今回の研究では、孤立したリチウムを動員して回収することで、電池の寿命を延ばすことができることを実証しました。

スタンフォード大学とSLACの教授で、研究を率いたスタンフォード材料エネルギー研究所（SIMES）の研究者であるYi Cui氏は話します。

「孤立したリチウムは、電池を腐らせ、さらには発火の原因になるので、私はいつも悪いものと考えていました。しかし、我々は、この “死んだ “リチウムを負極に電気的に再接続して再活性化する方法を発見したのです。」

死んでいるのではなく、這い上がっている

この研究のアイデアは、電池の正極と負極に電圧をかけると、孤立したリチウムの島が電極の間を物理的に移動するのではないかと崔教授が推測したことから生まれたものです。

研究チームは、リチウム-ニッケル-マンガン-コバルト酸化物（NMC）正極、リチウム負極、その間に孤立したリチウム島を配置した光学セルを作製しました。

この試験装置により、使用中の電池の内部で何が起こっているかをリアルタイムで追跡することができました。

その結果、孤立したリチウムアイランドは「死んで」いるのではなく、電池の動作に反応していることがわかりました。

充電すると島はゆっくりと正極の方に移動し、放電すると反対方向に移動した。

Cui氏は話します。

「これは、頭を前に出し、尻尾を引きながらナノメートル単位で移動する、とてもゆっくりしたミミズのようなものです。この場合、片方の端から溶けてなくなり、もう片方の端に物質が付着することで移動します。リチウム虫を動かし続けることができれば、やがて陽極に接触し、電気的接続が回復するのです。」

寿命を延ばす

この結果は、他の試験電池やコンピューターシミュレーションによって検証され、充電方法を工夫することで、実際の電池で分離したリチウムを回収できることも実証されました。

リュー氏は話します。

「私たちは、放電中に分離したリチウムを陽極に移動させることができ、この移動は大電流でより速く行われることを発見しました。そこで、充電の直後に高速・大電流の放電を行い、分離したリチウムを陽極に再接続するのに十分な距離を移動させました。これにより、リチウムが再活性化され、電池の寿命が延びるのです。」

「今回の発見は、より堅牢なリチウム金属電池の設計・開発にも広く影響を与えるものです。」

この研究は、DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Office of Vehicle Technologies のBattery Materials Research (BMR), Battery 500 Consortium and eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Li-ion batteries (XCEL) プログラムによる資金援助を受けて行われました。