ヴァンダービルト大学の研究者らは、リチウムイオン電池のナノスケールの仕組みについて新たな知見を得た。この発見により、数秒で充電できる電池の開発が加速する可能性がある。
科学者チームは過去7か月間、「愚者の黄金」としても知られる黄鉄鉱製の量子ドットを含む電池を調査してきた。
量子ドットは原子数十個分の大きさしかない粒子で、研究者たちは既にバッテリーに量子ドットを用いることで超高速充電が可能になることを知っています。しかし、量子ドットはバッテリーにとって致命的な打撃となる可能性もあります。
「粒子が非常に小さくなると、電解質と化学反応を起こし始め、バッテリーは数回しか充電と放電ができなくなる」と、ヴァンダービルト大学機械工学助教授のキャリー・ピント氏は言う。
ジョン・ラッセル/ヴァンダービルト大学 アンナ・ダグラスとケーリー・パイント。彼女は黄鉄鉱で作られた数百万個の量子ドットを追加して改造したバッテリーの 1 つを手に持っている。
しかし、研究チームは、黄鉄鉱量子ドットを用いた場合、バッテリーは根本的に異なる方法でエネルギーを蓄え、同じ化学反応は起こらないことを発見しました。この研究は、大学院生のアンナ・ダグラスが主導しました。
従来のリチウムイオン電池では、充電時にリチウムイオンが蓄電材料に入り込み、放電時に放出されます。試作電池にリチウムイオンが入ると、鉄原子1個と硫黄原子2個からなる黄鉄鉱分子と反応して硫黄リチウムを形成し、鉄原子が放出されます。放電時にはこの逆の反応が起こり、黄鉄鉱が再形成されます。
「何度も逆転します」とピント氏は述べた。「この場合、この貯蔵方法により、より多くの容量とエネルギー貯蔵が可能になります。これははるかに魅力的なエネルギー貯蔵方法ですが、鉄が材料から排出されるのに適した粒子サイズにする必要があります。」
そこで量子ドットが使われます。使用される量子ドットは非常に小さく（直径約4.5ナノメートル）、実験用バッテリーには約5000万個の量子ドットが含まれています。
ヴァンダービルト大学 左側は単一の黄鉄鉱量子ドットの透過型電子顕微鏡画像、左側は標準的なリチウム電池に添加された愚者の金量子ドットのサイズ分布を示すグラフ。
「これらのナノ粒子を用いると、『死』のメカニズムに限定されないことが分かりました。これは、非常に高速に充電できる小さなナノ粒子を組み込むのにまさに最適な条件なのです」と彼は述べた。
新しいタイプのバッテリーが一夜にして誕生するわけではないが、この研究の最も興味深い点は、ナノスケールでのバッテリーの仕組みに関する洞察が得られることだとピント氏は語った。
「これにより、このような変化を経る一連の材料群の設計ルールが得られます」と彼は述べた。「このルールを材料群全体に適用し、これらのルールに基づいてナノ構造システムを設計することができます。これまで、私たちは基本的なルールさえ理解していませんでした。」
この研究の概要はACS Nano誌の11月11日号に掲載されている。
