「むくみ」を克服しよう！シリコンと炭素は「両方向に動きます」! “小さなボディ”のバッテリーに大きなエネルギーが詰まっている？

□ポピュラー・サイエンス・タイムズ記者、張英賢

最近、「張朝陽、携帯電話バッテリーの今後の発展について語る」という話題がホットな検索となっている。携帯電話のバッテリーはユーザーエクスペリエンスに直接影響します。張朝陽氏は、従来のグラファイト電池と比較して、シリコンカーボン負極電池のエネルギー密度は桁違いに高まる可能性があると述べた。シリコンカーボンアノード電池技術とは何ですか?携帯電話や自動車にシリコンカーボン負極電池を使用する利点は何ですか?記者はこれについてインタビューを行った。

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シリコンと炭素は「両方向に動く」

旅行中、携帯電話のバッテリーの「不安」はほとんどすべての人に影響を及ぼします。現在、携帯電話に使用されている電池のほとんどはリチウムイオン電池です。肉眼では見えませんが、バッテリー内では化学反応が急速に起こっています。

「リチウムイオン電池は『ロッキングチェア電池』というニックネームを持っています。」充電時にはリチウムイオンが正極から負極へ流れ、放電時にはリチウムイオンが負極から正極へ流れます。ハルビン工業大学の材料科学の博士課程の学生で准教授のガオ・ペン氏は、サイエンスタイムズに対し、正極と負極のリチウム貯蔵容量が非常に重要であり、それがリチウムイオン電池がどれだけのエネルギーを貯蔵できるかを決定すると語った。

リチウムイオン電池の重要な構成要素として、高容量負極材料は電池のエネルギー密度を効果的に向上させることができます。現在、市場で主流のリチウム電池の負極はすべてグラファイト材料で作られていますが、数十年の開発を経て、グラファイト材料の比容量は理論上の限界に非常に近づいています。したがって、グラファイト負極の性能を継続的に向上させても、リチウムイオン電池の性能に与える影響は非常に限られています。シリコンはグラファイトよりもはるかに高いリチウム貯蔵容量を持つことが発見されました。

「物理学の観点から中国の主要な携帯電話技術を見る」というテーマについて議論した際、張朝陽氏は、グラファイトでは6つの炭素原子が1つのリチウムイオンを保持できるが、1つのシリコン原子はほぼ4つのリチウムイオンを保持できると説明した。シリコン材料のリチウム貯蔵容量は炭素材料の10倍以上です。したがって、バッテリーにシリコン材料を追加すると、エネルギー密度を一桁増加させることができます。

では、シリコン素材をもっと入れた方が良いのでしょうか？ 「充電と放電の過程で、シリコンの体積膨張効果は非常に深刻です。リチウムイオンが埋め込まれるとシリコンの体積が膨張し、リチウムイオンが除去されると体積が収縮し、最大膨張率は300％です。何度もサイクルを繰り返すと、シリコン材料が破損して粉末化し、性能が低下します。」高鵬氏は、電気伝導率が低く、抵抗が比較的大きいため電流が流れにくく、これもシリコン材料の問題の1つであると認めた。

科学者たちは、炭素材料がシリコン材料の欠点を補えることを発見し、シリコンと炭素を組み合わせて、導電性が高く、体積膨張率が低いシリコン炭素負極材料を製造しました。

バッテリー容量が20%増加

新しいタイプの電池材料技術として、シリコンカーボン負極材料技術が自動車用動力電池に応用され、その後携帯電話メーカーによって携帯電話用電池に使用されました。

「現在の炭素材料はすべて、直径が数百ナノメートルから数ミクロンの小さな微小球ですが、シリコンの場合、粒子が小さいほど良いです。シリコン粒子が大きいほど壊れやすく、粒子が小さいほど壊れにくいからです。そのため、シリコン粒子が壊れないようにするために、数十ナノメートルまで小さくしようとしており、これをナノシリコンと呼びます」と高鵬氏は紹介した。

シリコンとカーボンを複合させる方法は数多くあります。現在、主に2つの技術が普及しています。 1つはシリコン微粒子の表面に炭素をコーティングする方法であり、もう1つは多孔質炭素にシリコン粒子を埋め込むか、多孔質炭素にシリコンを堆積させる方法です。

高鵬氏は、体積膨張を防ぐために、現在のシリコンカーボン負極材料におけるシリコンの割合は高くしすぎないようにすると紹介した。リチウム貯蔵容量は、現在の炭素負極の約2倍です。高エネルギー正極と組み合わせると、バッテリー全体のエネルギー密度を約20％向上させることができます。つまり、携帯電話や電気自動車の場合、同じサイズのバッテリーで 20% 多くの電力を保持できるため、バッテリー寿命が大幅に向上します。

最新の研究結果によると、グラファイト負極材料と比較して、シリコンカーボン負極材料は低温でのサイクル安定性が優れていることが示されています。したがって、シリコンカーボン負極材料の使用は、バッテリーの低温性能の向上に役立ち、冬季の携帯電話や電気自動車に共通する電力損失の問題も改善できます。 「シリコンカーボン負極技術はまだ発展途上の技術です。将来的には、技術の進歩により、シリコンカーボン負極材料中のシリコンの割合が増加し、バッテリーの性能をさらに向上させることができます。」高鵬氏が紹介した。