新エネルギーの「新ダーリン」！ 「水性」電池として知られるこの電池は、リチウム電池の致命的な欠陥をどのように克服するのでしょうか?

エネルギーは人類社会の発展の原動力です。近年、「カーボンピークとカーボンニュートラル」という世界の開発目標の決定に伴い、再生可能エネルギーの利用に基づく大規模なエネルギー貯蔵と新エネルギー車の普及促進も避けられない発展の潮流となっている。安全で環境に優しく、エネルギー密度が高く、低コストの電池に対する人々の需要はますます高まっており、科学者に新世代の電池を研究するよう求める要求も高まっています。この文脈において、水性亜鉛イオン電池は、安全性が高く、コストが低く、環境に優しいことから、最も有望な持続可能なエネルギー貯蔵技術の 1 つと考えられています。鄭州大学物理学院教授の李新良氏の研究方向は、この分野と密接に関係しています。

▲李新良

李新良は長年にわたり科学研究に熱心に取り組んでおり、水性電池/ハロゲン電池エネルギー貯蔵システムや電磁波吸収/遮蔽装置の研究開発において一連の革新的な科学研究成果を達成してきました。 「幸運なことに、私の個人的な研究関心は国の戦略的発展のニーズと一致しているので、困難を乗り越えて責任を引き受け、これを達成するつもりです」と彼は語った。

地に足をつけて一歩ずつ科学研究の道を歩みましょう

すべては現実的に行うべきです。やれば簡単だが、やらなければ難しい。李新良の科学研究の道は、ほとんどの普通の学生の描写に近い。 2011年に鄭州軽工業大学に入学し、物理学と電子工学を専攻した。当時、エネルギー貯蔵の研究はあまり普及していませんでした。大学在学中、彼は夢を抱いていたものの、混乱も感じていました。

エネルギー貯蔵研究を深く学ぶにつれて、李新良は、この分野の科学的研究成果が実際に実用化できることを徐々に発見しました。関連分野でより深い科学研究知識を習得するため、学部卒業後、西北工科大学と香港城市大学で修士号と博士号を取得しました。また、後期には、彼の科学研究キャリアに大きな影響を与えた Yin Xiaowei 教授と Zhi Chunyi 教授と出会いました。

李新良さんは、大学卒業後、混乱の時期を経験したと率直に語った。彼は修士課程の指導教官である尹暁偉教授の指導のもと、放射線耐性材料の研究に重点を置くことを決意し、一歩一歩科学研究の道を歩み始めました。香港城市大学在学中、李新良氏は博士課程の指導教官である志春易教授の指導の下、放射線耐性材料の研究とエネルギー貯蔵のテーマを組み合わせ、安全なエネルギー貯蔵と柔軟なウェアラブル電子機器の研究を行い、国の民間および重要な分野における潜在的なニーズに応えました。さらに、修士号と博士号の取得を目指す間、2人の指導者は李新良に非常に自由な科学研究環境を提供し、彼が主体的な取り組みを十分発揮し、自分の興味に駆られて探求と前進を続けることを可能にしました。 「当初、私の科学研究の計画や将来の目標は漠然としたものでした。彼らの段階的な指導のもとで、私は大きく成長しました。彼らの助けがなければ、科学研究の道に進む機会はなかったと思います」と李新良さんは語った。

李新良は、自身の科学研究活動をできるだけ早く実行するために、博士号を取得した後、香港城市大学-香港大亜鉛能源有限公司に入社し、安全なエネルギー貯蔵に関する科学研究に従事しました。李新良は、実験室から企業への応用にはまだ長い道のりがあり、特に実験室の研究結果を大量生産に移す過程では、多くの「スケールアップ」の問題や困難に遭遇することをよく知っています。香港大亜鉛エネルギー株式会社で働いていたとき、李新良は科学研究活動を問題指向から研究指向および応用指向へと転換しようと努め、将来の科学研究テーマの選択に対してより包括的な視点を獲得しました。

現状を踏まえ、水性電池に関する革新的な研究

中国は2020年9月、2030年までにカーボンピークに到達し、2060年までにカーボンニュートラルを達成するという目標を明確に打ち出した。

新エネルギーが今日のトレンドになるにつれ、バッテリーは新エネルギー車、民生用電子機器、さまざまなエネルギー貯蔵電力システムに広く使用されるようになりました。このような社会的背景の中で、李新良は科学研究者としての責任を担い、関連分野で何かを成し遂げたいと熱望しています。

周知のとおり、新エネルギー車に広く使用されているリチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、小型、軽量、長寿命という利点があります。しかし、リチウム電池は、特に使用中に水や酸素の環境から隔離するために、極めて高い密閉性を必要とします。バッテリーが衝突や押し出しなどのバッテリーパッケージを破壊する緊急事態に遭遇すると、バッテリーセルは一連の連鎖発熱反応を引き起こしたり、発火して爆発したりする可能性が非常に高くなります...このような背景から、Li Xinliang 氏は、バッテリーの安全特性を非常に重視する安全なエネルギー貯蔵分野、特に人体に直接接触するウェアラブル電子機器や埋め込み型医療機器のニーズを満たすために、より安全で、より環境に優しく、より安定した水性バッテリーの開発が急務であると考えています。

Li Xinliang氏は、新興の電池技術としての水性電池は、固有の安全性と急速充放電機能を備えており、電池寿命を延ばし、さまざまな過酷なエネルギー貯蔵/供給シナリオに電池が対応できるようになると紹介しました。再生可能エネルギー貯蔵システム、電気自動車、ポータブル電子製品など幅広い応用が期待されています。 「したがって、現在私たちの研究の主な方向性は、リチウムイオン電池が現在適用できない安全なエネルギー貯蔵市場のサプライチェーンのギャップを埋めるために水性電池を開発することです。同時に、将来の研究では、複雑な電磁気/赤外線背景下での放射線問題をサービス安全性の動的評価範囲に組み込むことも検討しています」と彼は述べた。

このプロセスにおいて、Li Xinliang 氏と彼の研究チームは、まず水性バッテリー全体を設計し、バッテリーのさまざまなコンポーネントの適応性を高めました。次に、温度と電圧の監視システム、および過電流と過電圧の保護装置を導入し、バッテリーの動作状態をリアルタイムで監視し、異常状態の発生を追跡しました。さらに、電極と電解質の改良により、水性電池の使用中に起こり得る副反応を低減しながら電気化学的性能も向上し、水性電池の安全性と安定性も向上しました。

水電池の電解質キャリアである水は、低コストで再生可能かつ環境に優しい溶媒です。従来の有機電池の有機溶媒と比較すると、水は本質的に安全で、コストが低く、環境への影響も少なくなります。さらに、水性電池は再生可能です。水と金属塩は再生可能な資源です。再生やリサイクルにより、資源の消費が削減され、希少金属の需要も減ります。しかし、電解質として水を使用すると、安定した電圧ウィンドウが狭くなり、電極、特に金属の負極端子と副反応を起こして、バッテリーの耐用年数が短くなる可能性があるという欠点があります。李新良は、関連する研究成果に基づき、新たな高エネルギー密度ハロゲン電池の開発にも取り組んでいます。

ハロゲンは、高い酸化還元電位、低コスト、豊富な資源などの利点があるため、電極材料への応用に大きな期待が寄せられています。このような状況において、李新良氏のチームは、変換型エネルギー貯蔵システムにおいてハロゲンの可逆的な多価状態変換を実現するための効率的な電解質変調戦略を提案し、概念実証として従来のハロゲン元素に代わる活性ハロゲン源としてより安全なハロゲン化物塩を選択し、多電子変換化学に基づく前例のない高性能ハロゲン変換電池を構築しました。一連の科学的研究探究を通じて、ハロゲン電池のエネルギー密度を元の値の 200% 以上に高めることに成功し、ハロゲン電池のエネルギー貯蔵容量が大幅に向上したことは特筆に値します。さらに、李新良氏のチームが開発した新しい酸化還元機構は、優れた低温適応性を示し、ハロゲン電池の応用シナリオを大幅に広げます。

冷静な心を持ち、科学研究を推進する

科学研究は長期にわたる取り組みです。李新良氏は、水性電池の性能向上は一夜にして達成できるものではないことをよく知っている。パフォーマンス テストの結果がわかるまでに 1 年、あるいは数年かかる場合もあり、その過程で必然的に一連の問題に遭遇することになります。 「問題に遭遇したときは、まず文献を徹底的に読み、他の人の経験や教訓から学ばなければなりません。次に、指導者や同僚と議論し、ブレインストーミングしなければなりません。必ず利益が得られます」と李新良氏は語った。

2023年は李新良の人生における新たな転機となる。 30歳のとき、彼は故郷の河南省に戻り、鄭州大学物理学院に入学して科学研究を行った。 「『技術的ギャップ』を埋めるためには必ず誰かが戻って来なければならない。そして私はその一人に過ぎない」と彼は語った。科学研究の才能を持つ李新良さんに対して、河南省、鄭州大学、鄭州大学物理学院は生活環境や科学研究環境の面で多大な支援を提供し、彼の不安を解消するのに役立っています。現在、半年以上にわたり、彼は自身の科学研究チームの構築に休みなく取り組んでおり、自身の研究基盤に基づいて今後の仕事の方向性も定めています。 「まず、バッテリーの性能と安定性を向上させることを目標に、最先端の方向性とこの分野の未解決の科学的問題に関するいくつかの探索計画を策定し、多くの科学研究の実践を通じて、関連する計画が実現可能かどうかを判断します。この期間中に、実際にいくつかの技術的問題を解決し、いくつかの基本的な革新的な理論モデルを提案し、この分野を少しでも前進させることができれば素晴らしいと思います」と彼は語った。

これからの道のりは長く、困難です。水性電池技術の開発と探求において、失敗や挫折はよくあることですが、李新良は常に努力は必ず報われると信じています。彼は近い将来、複雑かつ安全なエネルギー貯蔵を基盤とした独自の科学研究チームを構築し、研究の方向性を国の主要な科学技術ニーズに焦点を合わせ、自らの貢献を果たすよう努めたいと考えている。 「技術の進歩と経済的実現可能性の向上により、今後数年間で水性電池技術が徐々に市場に投入され、国、社会、一般消費者にとってより信頼性が高く、環境に優しく、安全なエネルギーソリューションが提供されるようになると期待できる」と李新良氏は自信を見せた。