18 秒の急速充電はもう夢ではありません!新しい水性亜鉛イオン電池とは何ですか?

制作：中国科学普及協会

著者: Dong Shaoxiang、Wang Yixiu (中国科学技術大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

電池をエネルギー源とする携帯電話、パソコン、タブレットなどは私たちの生活の一部になっています。 「バッテリー不安」に悩む人が増えています。同時に、新エネルギー車の普及が加速し、充電に長時間かかるバッテリーに対する人々の不満も高まっています。急いで！バッテリーを早く充電しましょう!これは皆の共通の願いとなりました。

バッテリー不安は今の時代、不安の源の一つとなっている

(画像出典: Flickr)

この願いはもうすぐ叶うかもしれません。最近、中国科学技術大学国立シンクロトロン放射研究所の宋李教授のチームが急速充電機能を備えたバッテリーを開発した。

今日はこの科学的研究結果について詳しくお話しします。

1. 亜鉛イオン電池 VS.リチウムイオン電池

リチウムイオン電池は、今日広く知られているエネルギー貯蔵装置の一種です。高いエネルギー密度や広い動作温度範囲などの利点により、リチウムイオン電池は市販の電池の大部分を占めています。しかし、使用されている有機電解液は人体に有害であり、リチウム資源の不足により、将来的には電池市場の需給不均衡につながると予想されます。

エネルギー貯蔵業界の新参者である亜鉛イオン電池は、理論上のエネルギー密度が高いだけでなく、無毒の水性電解質を備えているため、安全で効率的な生産と応用が保証されます。さらに、安価で豊富な亜鉛資源により、電池の使用コストが大幅に削減され、将来的にはリチウムイオン電池の潜在的な代替品となることが期待されています。

材料の使用には多くの違いがありますが、亜鉛イオン電池とリチウムイオン電池の充電および放電プロセス中の動作条件は非常に似ています。電池の正極材料は層状になっていることが多く、電池の放電プロセス中に、リチウムイオン（または亜鉛イオン）が正極材料の中間層に埋め込まれて貯蔵されます。バッテリーの充電プロセス中に、リチウムイオン（または亜鉛イオン）は正極材料の中間層から逃げて負極に戻ります。要約すると、バッテリーの動作原理はイオンの移動と電子の移動のプロセスです。

リチウムイオン電池の仕組み

（写真提供：veerフォトギャラリー）

2. バッテリーの急速充電の原理

では、この科学研究の成果で急速充電バッテリーはどのようにして実現されたのでしょうか?

イオン輸送チャネルを広げる

前述のように、亜鉛イオン電池の充電および放電プロセスは、イオンが継続的に移動するプロセスです。短期間でできるだけ多くのバッテリー容量を蓄えたい場合は、亜鉛イオンを蓄えるためのより大きなスペースを確保する必要があります。

まず、研究者らは、調整可能な空間構造を持つ層状の五酸化バナジウム材料に注目しました。この層状の五酸化バナジウム材料の構造は、一連の平行板のようなものです。層状カソード材料の層間間隔を広げるために、より大きなサイズのアンモニウムイオンを事前に挿入することができます。つまり、レイヤー間隔を広げるために、これらのレイヤーの間に事前にいくつかの柱を追加します。アンモニウムイオンのサポートにより、亜鉛イオンは正極材料内でより簡単に移動できるようになり、層間空間が広くなるため、バッテリーのエネルギー貯蔵容量も効果的に向上します。

アンモニウム挿入五酸化バナジウムの構造の模式図

（画像出典：参考1）

軌道占有率の調整から電子移動の加速まで

バッテリーのエネルギー貯蔵プロセスはイオンの移動と電子の移動に密接に関係していることを知っておく必要があります。亜鉛イオンが貯蔵のために正極材料層に入ると、電子の一部も正極材料に移動し、全体の電荷バランスが維持されます。したがって、層状物質の電子構造に対する挿入イオンの影響を研究することも非常に重要です。

しかし、従来の試験方法では、材料の固有の原子構造や電子構造を明確に調べることは困難です。したがって、検出にはより高度なシンクロトロン放射特性評価技術が必要です。簡単に言えば、シンクロトロン放射技術は、高輝度と広帯域の特性を利用して物質の内部構造を見ることができる「スーパー顕微鏡」の強化版と理解できます。

研究者らはこの技術を使用して、層間にアンモニウムイオン柱を挿入した後の五酸化バナジウム材料における原子軌道占有率の変化と、充放電プロセス中の材料の可逆的な進化を調査しました。

ここではまず電子構造の基本的な概念を紹介します。

原子核の外側に電子を持つ元素の場合、その電子はランダムに配列されているのではなく、軌道上に順番に配列されています。また、電子は常に低エネルギーの軌道を最初に占め、つまり原子核を中心に内側から外側に向かって配置されます。

バナジウム元素の価電子配置は下の図に示されており、外層には 5 個の価電子が含まれています。五酸化バナジウム物質では、これらの 5 つの電子が酸素原子との結合を形成するために使用されます。このとき、バナジウムの3d軌道は電子が占有されていない空の軌道です。

バナジウム

（写真提供：veerフォトギャラリー）

研究者たちは、シンクロトロン放射技術の助けを借りて、アンモニウムイオン柱の挿入により五酸化バナジウムの結晶構造が歪み、元のVO結合長が変化することをはっきりと確認しました。最も重要なのは、この構造の歪みによってバナジウムの電子構造も変化し、電子が元々空だった V 3d 軌道にジャンプし、結果として V 3d 軌道が部分的に占有された状態になることです。しかし、この部分の電子は酸素原子に役立ちませんが、材料の導電性を大幅に向上させます。

上記と合わせて、バッテリーの充電および放電プロセス中に、イオンの移動と電子の移動の両方が発生します。シンクロトロン放射特性評価により、アンモニウムイオン挿入後の五酸化バナジウム正極材料は、充電および放電プロセス中に可逆的な変化を示すことが示されました。放電中、電子は正極材料に移動し、V 3d 軌道がさらに占有されます。充電中は電子が分離され、V 3d 軌道は元の占有状態に戻ることができます。しかし、軌道占有率のこの可逆的な変化は、元の五酸化バナジウム材料では観察されていません。要約すると、電子構造の変化により、導電性が向上し、電荷の流れが大幅に加速されるだけでなく、バ​​ッテリーの充電と放電の可逆性も向上します。さらに層間間隔を広げることで亜鉛イオンの移動を加速させることと相まって、バッテリーの急速充電特性を実現します。

結晶構造と電子構造の二重制御により、急速充電と安定したサイクリングを実現

この新しい正極材料を使用することで、亜鉛イオン電池は電流密度 200 C で 101 mAh/g の容量を達成し、充電にはわずか 18 秒しかかかりませんでした。同時に、水性電解質は循環プロセスの安全性を確保し、環境への汚染を軽減します。

この論文では、層状物質の層間隔と軌道占有状態を、物質の結晶構造と電子構造の観点から設計し、制御します。同時に、高度なシンクロトロン放射特性評価法と組み合わせることで、材料構造の進化がより直感的かつ明確になり、急速充電特性を備えた正極材料が可能になります。

おそらく近い将来、このような材料は電子製品や公共交通機関にさえ応用されるようになるでしょう。充電時間が大幅に短縮されることで、人々の生活はより効率的かつ便利になります。電池材料の安全性と清潔さは環境への負担を軽減することもできます。テクノロジーによって、この日がそう遠くない日になると信じています。

参考文献:

【1】Yixiu Wang、Shiqiang Wei、Zheng-Hang Qi、他急速充電水性亜鉛イオン電池に向けた酸化バナジウムカソードにおけるインターカラント誘起 V t2g 軌道占有。 PNAS、2023、120、e2217208120。