陽極フリーバッテリー

アノードフリーバッテリー（AFB）は、アノードなしで製造されるバッテリーです。代わりに、最初に充電されたときに金属アノードが生成されます。アノードは、カソードから供給される電荷​​キャリアから形成されます。そのため、充電前のバッテリーは、カソード、電流コレクター、セパレーター、および電解質で構成されています。

従来のバッテリーは、グラファイト製のアノードを使用しています。しかし、グラファイトはスペースを占有し、重量を増やし、材料コストを増加させ、製造の複雑さを増します。2023年現在、リチウム金属バッテリーをサポートする最も実用的な設計は、アノードフリーです。

アノードフリーバッテリーには通常、セラミックまたはポリマー製の固体電解質が必要です。これは、多くの充電/放電サイクルで、アノード側の電流コレクターに形成される可能性のあるデンドライトが電解質を通過してバッテリーをショートさせないようにするためです。一部の固体設計では、従来のグラファイトアノードが使用されています。

電荷キャリアはリチウムをアノード電流コレクター表面に電気メッキし、固体電解質界面（SEI）を形成する。最初の充電後、AFBはリチウム金属電池として動作する。^[1]永久リチウム金属アノードを排除することで、AFBはリチウムがすべて電荷キャリアとして機能し、アノードに留まることはない（リチウム過剰ゼロ）状態で動作する。リチウムアノードの製造も複雑で、反応性と粘性が高いため、薄いリチウム箔の製造と操作が必要となる。しかし、充電/放電サイクルごとにリチウムがいくらか失われるため、サイクル数は減少する。また、堆積したリチウムは深さが不均一になりやすく、デンドライトが発生しやすい。固体電解質界面^[2]

アノードフリーのリチウムイオン電池は、LiFePO ₄、LiCoO ₂、LiNi _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 (NMC ₁₁₁ )などのさまざまなカソード材料を使用して実証されています。

これらのインターカレーション型カソードは、Li含有量が限られている（LiFePO4の場合は14.3 at.%、LiCoO2およびLiNi x Co y Mn1- x - y O2の場合は25 at.%）が、依然として主要な研究対象となっている。^[2]酸化物カソードは、可燃性有機電解質との副反応を引き起こす反応性酸素ラジカルを放出する可能性がある。対照的に、硫化リチウムは67%のリチウムに達する可能性がある。完全にリチウム化された場合、カソードはサイクリング中に無視できる体積変化を経験します。^[3] ただし、Li2Sカソードは、初期の活性化過電圧（約1.0 V）と不十分な充電速度に悩まされる可能性があります。^[3]

クォンタムスケープはそのようなバッテリーを開発した。同社は、その固体バッテリーのエネルギー密度が325～440 Wh/kg（900～1,100 Wh/l）であると主張している。2020年現在、このバッテリーは元の容量の80%まで低下するまで800サイクルに耐えることができる。^{[1] [4]}生産は2024年後半に予定されている。^[5]

One New Energyは、1,000Wh/Lの容量を誇るバッテリーパックを披露した。各角柱セルの容量は240Ah。出力、サイクル寿命、安全レベルの制限に対処するため、同社はデュアルケミストリーバッテリーアーキテクチャを採用した。このアーキテクチャでは、LFPセルが主電源となり、アノードフリーバッテリーセル（LiMnOカソード）は長距離走行に対応するために使用する。これにより、サイクルとピーク電力要件が90%削減されると予想された。^[6]

サムスンは、プロトタイプのポーチセルに高ニッケル層状酸化物カソードを搭載し、1,000サイクル以上にわたって安定したクーロン効率（> 99.8%）と> 900 Wh/lを実現したと報告した。 ^[1]

パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）の研究者らは、溶媒、溶媒混合物、および/またはポリマーに溶解した塩/塩電解質混合物を使用するアノードフリーデバイスを開発した。塩は、さまざまな種類のリチウム塩である可能性がある。^[7]

ION Storage Systemsは、容量損失が5%未満で125サイクル持続する固体電池を実証しました。彼らは、アノードの代わりに3Dセラミック構造を使用しています。この電池は、エネルギー省エネルギー先端研究計画局の室温充電目標を満たす最初の電池です。[ 8 ^]

アノードフリー電池は、低容量の酸素放出インターカレーションカソードと可燃性液体電解質に対処する必要があります。1つの代替案は、硫化リチウムカソードを使用した準固体、不燃性、ポリマーゲル電解質を採用しました。研究では、ポーチセルレベルで1323 Wh L−1のエネルギー密度が主張されています。この設計により、制御されていない発熱性活性酸素反応と過剰なLiが回避されます。電解質には、ポリサルファイドのシャトリングを回避し、デンドライトを減らすMXeneドープフッ素化ポリマーが使用されています。機械的、電気的、熱的乱用に対するセルの安全性が向上しました。^[3]

• Varzi, Alberto; Thanner, Katharina; Scipioni, Roberto; Di Lecce, Daniele; Hassoun, Jusef; Dörfler, Susanne; Altheus, Holger; Kaskel, Stefan; Prehal, Christian; Freunberger, Stefan A. (2020-12-31). 「リチウム金属電池の現状と将来展望」. Journal of Power Sources . 480 : 228803. Bibcode :2020JPS...48028803V. doi :10.1016/j.jpowsour.2020.228803. hdl : 11392/2421792 . ISSN  0378-7753. S2CID  220346913.
• イ・ヨンゴン。藤木 聡;チョン・チャンフン。鈴木直樹；八代信義；大茂田 涼コ・ドンス。白土 智之杉本 敏典リュ、セボム。ク・ジュンファン;渡辺拓；パク・ヨンシン;相原裕一；イム、ドンミン(2020-03-09)。 「銀と炭素の複合陽極によって実現される高エネルギー・ロングサイクル全固体リチウム金属電池」。自然エネルギー。5 (4): 299–308。Bibcode :2020NatEn...5..299L。土井：10.1038/s41560-020-0575-z。ISSN  2058-7546。S2CID  256705340。
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