マンガンをリチウムイオン電池に変える
2021 年 3 月 22 日 - リチウムイオン電池エネルギー貯蔵 リチウムイオンエネルギー貯蔵
コバルトフリーの陰極は、入手可能な最も安価な金属の 1 つを使用することで、供給問題に対処できる可能性があります。
米国の研究者らは、従来のコバルトやニッケルの代わりにマンガンを正極材料として使用するリチウムイオン電池を開発した。この研究は、これらの高価で限られた資源に代わる安価で豊富な代替手段を提供し、急速に高まるリチウムイオンエネルギー貯蔵の需要を満たす方法を提供する可能性がある。
ほとんどのリチウムイオン電池の正極はコバルトまたはニッケルに依存してきました。これは、構造を層状に保ち、規則正しく保つことが容易であるためです。しかし、2014年に、ガーブランド・セダー氏率いるマサチューセッツ工科大学（MIT）のグループは、無秩序な構造のリチウムイオン電池でも、リチウムが豊富に含まれている限り機能する可能性があることを示し、新しい可能性のあるものを試す可能性を切り開いた。良いですね、材料。
カリフォルニア大学と米国ローレンス・バークレー国立研究所のシーダー氏らは今回、無秩序なマンガンベースの正極を備えたリチウムイオン電池を開発し、コバルトやニッケルよりも多くのエネルギーを貯蔵できる可能性があることを示した。 「私たちのアイデアは、層を気にせずにカソードを作ることができれば、より広範囲の金属を使用できるということでした」と筆頭著者の MIT の Jinhyuk Lee 氏は言います。 「入手可能な金属の中で最も安価な金属の 1 つであるマンガンを選択することにしました。」
マンガンは、従来の積層型リチウムイオン電池の正極にすでに使用されていますが、電子の貯蔵にはほとんど関与しない安定化金属として使用されています。無秩序なマンガンやその他の金属酸化物のみから正極を作ろうとする最近の試みは、充電中にリチウムイオンが正極からリチウムベースの負極に移動する際に酸素酸化還元活性が高すぎるために不安定になり、容量が失われるため、制限されてきました。
この活動を軽減し、高容量の酸化マンガン正極を得るために、Ceder のチームは、マンガンに 2 つの電子を交換させる方法を発見しました。これは、高容量のニッケルベースの正極が 1 つではなく行うことです。これには、一部の酸素アニオンを低価のフッ素アニオンで置換し、一部のマンガンカチオンを高価のニオブおよびチタンイオンと交換することにより、マンガンの価数を Mn2+ に下げることが含まれます。これは、マンガンカチオンの二重酸化還元が Mn2+ から Mn4+ に起こり、大部分のリチウムイオンが不安定になることなくカソードからリチウムアノードに移動できることを意味します。
「実験室規模の[バッテリーサイクルテスト]の結果では、既存のカソード(600～700Wh/kg)と比較して、当社のカソード(～1000Wh/kg)のエネルギー密度がかなり高いことがわかりました」とCeder氏は言います。 「しかし、私たちのデータは商業規模ではないため、材料のさらなるテストと最適化が続く必要があります。」
米国ジョージア工科大学でエネルギー貯蔵を研究しているグレブ・ユシン氏は、「実用化にはサイクル安定性のさらなる改善が必要だが、報告された戦略には大きな期待があり、さまざまな高価陽イオンの広範な探索が可能になる」とコメントしている。 「セル電圧を非常に低い値に下げる必要があるため、報告されている技術を電子機器に適用する際に障壁が生じる可能性がありますが、自動車用途ではそれほど大きな問題にはならないはずです。」
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