カリフォルニアを拠点とするチームによる新たな研究により、家電製品や電気自動車におけるリチウムイオン電池の充電方法が変わり、電池の寿命が延び、より有用な電池が実現する可能性がある。
日曜日にネイチャー・マテリアルズ誌に掲載されたこの研究は、バッテリーをゆっくり充電すると寿命が延びる、また大量のエネルギーを短時間に取り出すとバッテリーにダメージを与えるという一般的な考えに異議を唱えている。
「私たちはバッテリーを（単一の）デバイスとして考えてきましたが、iPhoneのバッテリーの中には数兆個の粒子があります」と、論文の上席著者でスタンフォード大学材料エネルギー科学研究所の研究員であるウィリアム・チュー氏はインタビューで語った。
SLAC国立加速器研究所 スタンフォード材料科学工学研究所 (SIMES) で、さまざまな電流レベルを使用してさまざまな速度でリチウムイオンコイン型電池を充電するために使用される装置。
「我々は科学界として、マクロレベルでバッテリー全体の挙動に注目してきたが、我々の研究では個々の粒子に注目し、それがどのように機能するかのモデルを作り上げている」と彼は語った。
チュエ氏と研究チームは、メンロパークにある米国エネルギー省SLAC国立加速器研究所の粒子加速器を用いて、電池の充放電時に個々のナノ粒子がどのように挙動するかを観察した。これほど詳細な観察と記録が行われたのは初めてである。
電流が均等に分配され、すべての粒子が徐々に充電されるのではなく、実際には電流は個々の粒子または小さな粒子群に短時間吸収され、各粒子が充電された後、次の粒子へと移動します。バッテリーは、一連の非常に速い充電によって、粒子ごとに効果的に充電されます。これは研究者を驚かせました。なぜなら、急速充電はバッテリーに損傷を与えると考えられていたからです。
SLAC国立加速器研究所 スタンフォード大学の大学院生、Yiyang Li 氏は、スタンフォード材料エネルギー科学研究所 (SIMES) でリチウムイオンコイン型電池をテストしています。
「ここ10～20年、バッテリーの発熱を抑えて長持ちさせるために、できるだけゆっくり充電し、トリクル充電するように言われてきました」とチュエ氏は述べた。「今回の論文で分かったのは、それが完全に正しいわけではないということです。」
研究者たちは、この新たな知見を基に、バッテリーをより均一に充電する複数の方法を提案しています。この方法により、リチウムイオンバッテリーの平均寿命は数年から約10年に延びる可能性があります。充電速度が速くても遅くても、より均一になればなるほど、バッテリーの劣化につながる局所的な発熱が少なくなります。
また、バッテリーの損傷を防ぎながら、より高速な充電や放電を可能にする方法も検討されています。
この研究は、数時間にわたる充電を必要とすることが多い電気自動車など、様々な用途に活用できる可能性があります。充電時間を短縮できれば、ドライバーは長距離運転中に長時間のピットストップに耐える必要がなくなります。また、電力網においては、急激な需要増加への対応力に優れた蓄電池の活用も期待されます。
しかし、まずは研究チームがさらなる実験を行う必要があります。具体的には、典型的な使用状況をシミュレートするために、電池電極を数千回の充放電サイクルにかけ、性能を測定する予定です。すでに家電製品や自動車業界の企業との協議が始まっています。
チームには、マサチューセッツ工科大学、サンディア国立研究所、サムスン先端技術アメリカ研究所、ローレンス・バークレー国立研究所のメンバーが含まれていた。
