次世代の電気自動車はバッテリー交換を必要としないかもしれないイノベーション| スミソニアン - 記事、イノベーション、エネルギー、テクノロジー

ラップトップからスマートフォン、急成長する電気自動車業界まで、私たちの世界は充電式電池にますます依存しています。しかし、ラップトップを数年以上所有している人なら誰でも知っているように、バッテリーは最終的にフル充電を保持する能力を失います。

科学者は、なぜこれが起こるのかを本当に理解していなかったため、修正が難しい問題になっています。しかし、 Nature Communications誌に掲載された米国エネルギー省の研究者による最近の研究によると、劣化しないバッテリーにこれまで以上に近づいている可能性があります。

科学者たちは、軽量で高容量であるため一般的に民生機器で使用されるリチウムイオン電池を特に使用して、劣化プロセスの正確な理解を深めるために、充電および放電プロセスを10億分の1メートルにマッピングしました。彼らは、バッテリーの劣化の2つの原因を発見しました。 1つ目：バッテリー材料の構造の微視的な脆弱性は、セルを介してリチウムイオンを無計画に操縦し、一見ランダムな方法でバッテリーを浸食します。電圧、ストレージ容量、最大充電サイクルの最適なバランスを見つけることに焦点を当てた2番目の研究では、研究者は、イオンの流れに関する同様の問題だけでなく、化学反応によって残されるナノスケール結晶の小さな蓄積も発見しました。イオンの流れは、各充電後にさらに不規則になります。より高い電圧でのバッテリーの実行また、より多くのイオン経路の不規則性が生じ、それによりバッテリーがより急速に劣化しました。

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科学者は数十年前にバッテリー（1800年以来事実上存在していたテクノロジー）を完全に理解しているように思われるかもしれません。しかし、ブルックヘブンラボの材料科学者であり、両方の研究の共著者であるHuolin Xinは、新しいテクノロジーの勝利の組み合わせがごく最近利用可能になったと言います。

「収差補正電子顕微鏡や新しいシンクロトロンX線技術など、最先端の特性評価ツールの多くは10年前には利用できませんでした」とXin氏は言います。しかし、今では、リチウムイオン電池の研究に応用できると彼は言います。

新しいデータにより、研究者はこれらのバッテリーがどのように機能するかをより明確に把握することができます。これにより、あまり遠くない将来に家電製品のバッテリーが長持ちする可能性があります。しかし、それはまた新しい問題を提示します。 Xinは、表面積を最大化することはバッテリー性能にとって重要であると言いますが、表面積を大きくすると劣化が促進される可能性があります。

「[表面劣化]を防ぐために、カソードを保護層でコーティングすることができます」とXin氏は言います。または、[セル内]ミクロンサイズの粉末内に境界を作成してこれらの表面を隠します。

これを行うための最も効率的で費用対効果の高い方法を見つけることは、研究の将来の段階の一部になるでしょう。

しかし、シカゴ郊外のアルゴンヌ国立研究所でリチウムイオン電池の研究に焦点を当てている科学者のダニエル・アブラハムは、新しい研究が真のブレークスルーであることに懐疑的です。彼は、同様の素材を使用したマッピング作業が過去に行われたと言います。これには約12年前のチームによるものも含まれます。彼はまた、新しい研究で発見されたものよりもバッテリー劣化の方が多いかもしれないと考えています。

「彼らはパフォーマンスの低下と彼らが見る写真の間の相関関係を作ろうとしているが、それは正しくないかもしれない」とアブラハムは言う。「それは部分的に物語ですが、私はそれが全体の物語だとは思わない。」

Xinは、将来の電気自動車だけでなく、携帯用電子機器でもバッテリーの改善につながると楽観視しています。

「リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物カソードは、最近、次世代リチウムイオン電池の唯一の商業的に実行可能な材料として特定されました」とXin氏は言います。「劣化の問題を解決することで、次世代のバッテリーを小型化し、充電と放電をより確実に行うことができます。」

しかし、2人のバッテリーの専門家は、将来の多くの重要なアプリケーションにとって、すぐに消耗しないバッテリーを作る方法を見つけることは、より大きな容量のバッテリーを作ることと同じくらい重要であることに同意します。

Xinは、電気自動車の購入者は保証期限が切れた後、バッテリーの故障を心配していることを指摘しています。 Abraham氏は、電気自動車の場合、スマートフォンまたはタブレットのバッテリーで2、3年の性能しか必要としない可能性が高いと指摘していますが、ほとんどの所有者は10〜15年続くバッテリーを探しています。また、送電網での使用（オフピーク時に生成された過剰なエネルギーを保存するため）には、バッテリーの寿命が30年以上必要です。

これにより、他の分野の寿命の問題を解決するよりも、ラップトップ用のより良いバッテリーを簡単に構築できます。

「エネルギー密度を高くするのは良いことですが、エネルギー密度が高くても長寿命ではない場合、これらの技術の商業的実行可能性に疑問が生じます」とアブラハムは言います。「一方、新しい技術を持っていることを示すことができ、それが2年から30年続く場合、それはすぐに商業的に実行可能になります。」

Xinと彼の同僚の研究は、研究者がすぐに劣化しないバッテリーを作成するのに役立つかもしれませんが、深刻な摩耗なしで10年以上続く充電式バッテリーを見る前に、さらなるブレークスルーが必要であることは明らかです。