ガラスバッテリー

ガラス電池は 固体電池の一種で、ガラス 電解質とリチウムまたはナトリウム金属電極を使用します。^{[1] [2] [3] [4]}

この電池は、リチウムイオン電池（Li-ion）に使用されるコバルト酸リチウムとリン酸鉄リチウムの電極材料を発明したジョン・B・グッドイナフと、ポルト大学^[5]の准教授でありテキサス大学コックレル工学部の上級研究員であるマリア・H・ブラガによって発明されました。^[1]

このバッテリーに関する論文は2016年12月にEnergy & Environmental Science誌^{に掲載されました。 [6]}その後も数多くの続編が発表されています。^[7] ハイドロ・ケベック社は、このバッテリーの生産に向けた研究を行っています。^[8]

2016年9月、アイオワ州立大学は、新しいリチウムイオン伝導性ガラス固体電解質の開発のために160万ドルの助成金を受けた。^[9] 2019年8月、GMは米国エネルギー省から「固体電池の界面現象の基礎的理解」と「硫化物ガラス電解質を用いた強化全固体電池のホットプレス」の研究に対して200万ドルを授与されたと発表された。^[10]

2016年12月の最初の発表は、電池技術の他の研究者からかなりの懐疑的な反応を招き、純粋な金属リチウムまたはナトリウムが両方の電極に存在する場合、電気化学ポテンシャルに差が生じず、したがってセル電圧が得られないのに、どのようにして電池電圧が得られるのか不明であると指摘する者もいた。^[3]したがって、電池によって蓄積または放出されるエネルギーは、熱力学の第一法則に違反することになる。しかし、グッドイナフの高い評判は最も強い批判を阻止するのに十分であり、プリンストン大学のダニエル・スタインガートは「グッドイナフ以外の誰かがこれを発表したら、私は、まあ、丁寧な言葉を見つけるのは難しい」とコメントした。^{[3]正式なコメントは、}カーネギーメロン大学のスタインガートとベンカット・ヴィスワナサンによってエネルギーと環境科学に掲載された。^[11]

グッドイナフは懐疑論に対して次のように答えた。「答えは、カソード集電体上にメッキされたリチウムが、集電体との反応によってフェルミエネルギーが集電体のフェルミエネルギーまで下がるほど薄い場合、リチウムアノードのフェルミエネルギーは、カソード集電体上にメッキされた薄いリチウムのフェルミエネルギーよりも高いということです。」グッドイナフはその後、スラッシュドットとのインタビューで、カソード上にメッキされたリチウムは「厚さ1ミクロン程度」であると述べた。^[12]

グッドイナフの反応は、ウプサラ大学のダニエル・スタインガートとマシュー・レイシーのさらなる懐疑を招いた。彼らは、このアンダーポテンシャル堆積効果は、材料の極めて薄い層（単層）でのみ知られていると指摘している。 ^{[13] [14]}レイシーはまた、元の出版物では、カソードにメッキされたリチウムの厚さの制限については言及されておらず、その代わりに、セルの容量は「アノードとして使用されるアルカリ金属の量によって決まる」と述べられていると指摘している。^[6]

^{元の出版物[6]}で報告されているように、バッテリーはアルカリ金属（リチウムまたはナトリウム箔）を負極（アノード）として使用し、炭素と酸化還元活性成分の混合物を正極（カソード）として使用して構築されています。カソード混合物は銅箔にコーティングされています。酸化還元活性成分は硫黄、フェロセン、または二酸化マンガンのいずれかです。電解質は水酸化リチウムと塩化リチウムから形成された高導電性 ガラスで、バリウムが添加されており、金属デンドライトを形成せずにバッテリーを急速充電できます。^[2]

この出版物によると、電池は放電中にアルカリ金属を陽極から剥離し、陰極に再沈着させることで作動し、電池電圧は酸化還元活性成分によって決まり、電池容量はアルカリ金属陽極の量によって決まる。この作動メカニズムは、従来のほとんどのリチウムイオン電池材料の 挿入（インターカレーション）メカニズムとは根本的に異なる。

2018年に、同じ著者のほとんどがアメリカ化学会誌で新しいバージョンについて説明しました。このバージョンでは、異なる材料が異なる速度で膨張することで界面の亀裂が発生するのを防ぐため、カソードが特殊な可塑剤溶液でコーティングされています。ブラガ氏は、この新しいバッテリーは従来のリチウムイオンバッテリーの2倍のエネルギー密度を持ち、23,000回の再充電が可能だと語っています。^{[15] [16] [17]}批評家は、この論文でいくつかの驚くべき主張を指摘しました。たとえば、記録的な高い比誘電率（おそらく記録されたどの材料よりも高い）、多くの充電サイクルでバッテリーの静電容量が増加する（他のすべてのバッテリー技術で通常見られる減少ではなく）などです。^{[17] [16]}この論文では、バッテリーがプラグを抜いた後も充電を保持できるかどうかも明らかにされていませんでした。^[17]ブラガは批判に対して次のように答えた。「データはデータであり、我々は4つの異なる機器、異なる研究室、グローブボックス内の多くの異なるセルから同様のデータを得ている。そして結局のところ、LEDは23,000回以上サイクルした後、非常に少量の活性物質で数日間点灯しているのだ」。^{[17] [16]}

ブラガとグッドイナフは、この電池は現在のリチウムイオン電池より何倍も高いエネルギー密度を持ち、動作温度範囲は現在の固体電池よりはるかに低い−20℃（−4℉）までになると予想していると述べた。^{[1] [3] [6]}また、電解質は広い電気化学ウィンドウを持つとされている。^[18]可燃性の液体電解質の使用を避けているため、電池の設計はリチウムイオン電池よりも安全である。^[2]この電池は、リチウムの代わりに低コストのナトリウムを使用して製造することもできる。^[2]

著者らは、このバッテリーの充電時間はリチウムイオンバッテリーよりもはるかに短く、数時間ではなく数分で済むと主張している。また、著者らは、低セル抵抗で1,200回の充電サイクルにわたってアルカリ金属/電解質界面の安定性をテストしたと述べている。^[1]リチウムイオンバッテリーの仕様は通常1,000未満である。^{[19] [20]}

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