革新的な新しいバッテリー技術により電気自動車の航続距離が向上可能

電気自動車市場は急速に成長しており、2022年の売上高は1兆ドルを超え、国内販売台数は10万8,000台を超えるため、高容量バッテリーの需要が高まっています。

電気自動車市場は急速に成長しており、2022年の売上高は1兆ドルを超え、国内販売台数は10万8,000台を超えるため、電気自動車の航続距離を延ばす大容量バッテリーの需要が高まっています。

POSTECH と西江大学の研究者チームは、これらの増大する需要を満たすために、機能性ポリマーバインダーからアノード材料を開発しました。

この研究に対応する論文「Layering Charged Polymers Enable Highly Integrated High-Capacity Battery Anodes」は、Advanced Functional Materials 誌に掲載されました。

POSTECHのSoojin Park教授とYun Soo Kim教授、西江大学のJaegeon Ryu教授が率いるチームは、高容量アノードを通じて電気自動車の航続距離を延ばすことに取り組んだ。

彼らは、安定性と信頼性を兼ね備えた高容量アノード材料用の帯電ポリマーバインダーを開発し、従来のグラファイトアノードの 10 倍以上の容量を実現しました。この画期的な成果は、グラファイトを Si アノードに置き換え、安定性と信頼性を維持しながら層状の荷電ポリマーと組み合わせることによって実現されました。

シリコンなどの高容量負極材料は、電気自動車の航続距離を伸ばすために不可欠です。これは、高エネルギー密度のリチウムイオン電池を作成し、現在入手可能なグラファイトまたは他の負極材料の少なくとも 10 倍の容量を提供するためです。

この段階で研究者らが課題と感じたのは、リチウムとの反応中の高容量アノード材料の体積膨張が電池の性能と安定性に脅威をもたらすことだった。この問題を軽減するために、研究者らは体積膨張を効果的に制御できるポリマーバインダーを調査しました。

これまで、電池とエネルギー密度に関する研究は主に化学架橋と水素結合のみに焦点を当ててきました。

化学架橋にはバインダー分子間の共有結合が含まれ、バインダー分子を固体にしますが、一度壊れた結合は復元できないという致命的な欠陥があります。一方、水素結合は電気陰性度の違いに基づく分子間の可逆的な二次結合ですが、その強度（10～65 kJ/mol）は比較的弱いです。

しかし、新しいポリマーは、水素結合とクーロン力（正電荷と負電荷の間の引力）の両方を利用することにより、電気自動車の航続距離を延ばします。これらの力の強さは 250 kJ/mol で、水素結合よりもはるかに高いですが、可逆性があるため、体積膨張の制御が容易になります。

高容量アノード材料の表面はほとんどがマイナスに帯電しており、層状に帯電したポリマーはプラスとマイナスの電荷を帯びて交互に配列され、アノードと効果的に結合します。さらに、研究チームは物理的特性を調整し、リチウムイオンの拡散を促進するためにポリエチレングリコールを導入し、その結果、リチウムイオン電池に見られる厚い大容量電極と最大のエネルギー密度が実現しました。

Soojin Park 教授は次のように結論づけています。「この研究は、高容量の負極材料を組み込むことでリチウムイオン電池のエネルギー密度を大幅に増加させ、それによって電気自動車の航続距離を延ばす可能性を秘めています。

シリコンベースのアノード材料は、走行距離を少なくとも 10 倍に拡大する可能性があります。」

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