バッテリーの電極の材質がその性能と寿命に与える影響

2023 年 8 月 15 日のダイアログ

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Dmitrii A. Rakov著、Tech Explore

バッテリーは、電極と呼ばれる 2 つの材料間でイオンと呼​​ばれる荷電粒子を移動させることによってエネルギーを貯蔵および放出する装置です。 電極は、イオンや他の分子を含む電解質と呼ばれる液体またはゲルによって分離されています。 バッテリーを使用すると、固体電解質界面 (SEI) と呼ばれる分子の薄い層が各電極の表面に形成されます。

リチウムイオン電池 (LIB) およびナトリウムイオン電池 (SIB) は、電極/電解質界面での酸化還元プロセスの可逆性が不十分であり、これは機械的に不安定で反応性の SEI の形成に関連しています。 安定した無機リッチ SEI は電子移動を遮断し、特定のイオンのみを拡散させることができるため、電解質の電気化学的限界を超えた可逆サイクルをサポートします。

高温（> 100°C）で無機溶融塩電解質を利用する電気化学セルは安定したサイクル性能を示しますが、日常的な用途では金属塩と有機溶媒の両方を含むバッテリー電解質に依存しています。 この混合物は充電界面で競合反応を引き起こし、継続的な電解液の消費と不均一な金属の析出、つまり金属電極の場合は樹枝状結晶の形成を引き起こし、結果としてバッテリーの故障や場合によっては安全上の懸念を引き起こします。

可逆電荷輸送のために SEI の化学的性質と形態を最適化する最も実際的に拡張可能な方法の 1 つは、電解質の化学的性質と形成プロトコル (つまり、特定の電流/電圧条件による初期サイクル条件) を同時に選択することです。 同時に、SEI 形成の予備段階に対する電極材料の固有の影響にもかかわらず、この進歩における電極材料の重要性は著しく過小評価されてきました。

この情報の空白を埋めるために、ディーキン大学とモナシュ大学（オーストラリア、メルボルン）の研究者らは、イオン液体と炭酸塩ベースのナトリウム電解質によるSEI形成のメカニズムに対する電極の物理化学的特性の影響を調べた。 この研究はジャーナル『Energy & Environmental Science』に掲載されています。

実験的ツールと理論的ツールを組み合わせて使用​​して、電解質 - 電極界面の構造と固体 - 電解質界面の特性が電極の分極率 (その誘電性) に大きく影響されることを実証し、これらの現象を以下で説明しました。帯電した電極が電解質種を吸着する能力の背景 (上の図を参照)。