このリチウムイオン電池は極寒の中でも動き続けました

最近の発明品の中で、地味なリチウムイオン電池ほどその価値を証明したものはそう多くない。研究室から初めて出てからまだ30年しか経っていないが、世界中の人々の手のひらにあるスマートフォンを動かし、電気自動車を走らせているのはリチウムイオン電池だ。再生可能エネルギー網の重要な構成要素として、リチウムイオン電池は今後ますます重要になるだろう。

1990 年代初頭以来、これらのバッテリーの価格は 30 分の 1 以下にまで下がり、その性能はますます向上しました。しかし、完璧というわけではありません。まず、極寒の地では苦戦します。特に厳しい冬を経験した人にとっては馴染みのある気温では、これらのバッテリーは充電を維持できず、充電しても機能しません。

しかし、科学者たちはより耐久性の高い電池の開発に取り組んでいる。6月8日にACS Central Science誌に発表された論文によると、中国の複数の大学の化学技術者が協力し、マイナス31°Fの低温でも耐えられるより優れた電池を開発したという。

過去の研究から、科学者たちは、ほとんどのリチウムイオン電池がマイナス4°F程度で性能が低下し始めることを知っていた。この点より低い温度では、蓄電量が少なくなり、充電効率も悪くなるため、電力として使うのが難しくなる。そして、温度が下がるほど性能は悪くなる。

世界のほとんどの地域では、氷点下の気温は問題になりません。しかし、たとえばアメリカ中西部に住んでいる場合、1 月の電気自動車の航続距離は思ったより短くなるかもしれません。また、凍てつく冬の屋外にいたことがあるなら、携帯電話のバッテリーが早く消耗する傾向があることに気付いたかもしれません。

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この欠点は、リチウムイオン電池が、山頂や民間航空機が飛行する上空、あるいは暗い宇宙空間の寒さなど、氷点下の寒さが一般的に発生する他の場所では、技術者が期待するほどうまく機能しないことを意味する。

ブルックヘブン国立研究所の電池化学者で、この論文には関わっていないエンユアン・フー氏によると、この問題に対処する研究は豊富にあるという。そして、そのためには、技術者や化学者が電池の内部をいじらなければならない。

リチウムイオン電池は、基本的に、2 つの帯電プレート (1 つは負極、もう 1 つは正極) で構成されています。中間の空間には電解質が充填されており、電解質は溶解したイオンを含む導電性スラリーです。負極プレートは通常、グラファイトなどの炭素ベースで、正極プレートには通常、金属原子と酸素が含まれています。

そして、リチウムイオンはバッテリーを動かすものであり、それが名前の由来です。

バッテリーが作動すると、これらのイオンは正極板から落ち、川を漂う魚のように電解質を横切り、負極板に着地し、その過程で一定の電気ショックを与えます。充電のためにバッテリーを差し込むと、電流によってイオンは反対方向に逃げます。これは特に問題なく機能し、移動するリチウムイオンは携帯電話や車に何時間も電力を供給します。

つまり、バッテリーがマイナス 4°F 以下に冷えるまで作動します。過去数年間、科学者たちは、この問題の多くはイオン自体の動きに関係しており、イオンが電解質からうまく出て負極板に着地できないことに起因していることを発見しました。科学者たちは、寒さに耐えるより丈夫な電解質を作ることで、この問題を軽減しようとしてきました。

しかし、最新の研究者たちは別のアプローチをとった。彼らは代わりに、その炭素ベースの負極板を改良したのだ。彼らはグラファイトをまったく新しい材料に置き換えることにした。彼らはコバルトを含む化合物を非常に高い温度、ほぼ 800°F まで加熱し、炭素原子でできた 12 面のサイコロのような形の小さな塊を作った。研究者たちはこれらの炭素十二面体を平らなグラファイトよりも凹凸のある板に加工し、リチウムイオンをよりよく捕らえられるようにした。

彼らがバッテリーをテストしたところ、マイナス 31°F の極寒の温度でも機能することがわかりました。200 回以上の放電、充電、再充電サイクルを経ても、このバッテリーは性能を維持しました。

「この物質は科学的に興味深いものです」と胡氏は言う。「しかし、複雑な合成経路が必要なので、実用化には限界があるかもしれません。」

そこが問題だ。多くの材料と同様に、こうした小さな炭素球を実際にもっと作ろうとするのは困難だ。さらに問題なのは、コバルト化合物がかなり高価だということ。一方で、この研究は非常に特殊な用途に役立つかもしれないとフー氏は言う。

これはこの探求の終わりではなく、むしろ次の段階への一歩です。しかし、日を追うごとに、科学者たちはこれらの重要なバッテリーの限界をさらに押し広げています。