ナノボール電池

ナノボール電池は、炭素やリン酸鉄リチウムなどのさまざまな材料で構成されたナノサイズのボールで作られたカソードまたはアノードを備えた実験的なタイプの電池です。ナノテクノロジーを使用する電池は、表面積が大幅に改善され、急速充電や放電などの優れた電気性能を可能にするため、通常の電池よりも高性能です。^{[引用が必要]}

2009年、MITの研究者らはこの技術を用いて、単純なリン酸鉄リチウムナノボール電池を10秒で充電することに成功した。理論的には、これにより小型電子機器の急速充電が可能になるが、大型電池は依然として主電源の制約を受ける。^{[1] [2]}

カーボンナノボールを作る前に、カーボンロッドを形成する必要があります。カーボンロッドは、アセチレンとコークス粉末（不純物が少なく、炭素含有量が多いタイプの燃料源）の存在下で準備さ​​れ、アーク放電技術を使用して形成されます。アーク放電技術では、2つの高純度グラファイト電極を陽極と陰極として使用し、DC（直流）電流を流すことで蒸発させます。^{[3] [自費出版ソース? ]} 一定時間アーク放電すると、陰極にカーボンロッドが形成されます。次に、カーボンロッドをDCアーク放電リアクターに入れます。カーボンロッドは陽極として機能し、高純度グラファイトロッドは陰極として機能します。70〜90アンペアに調整された電流が、0.05〜0.06 MPa（メガパスカル）の圧力でアセチレン媒体内の2本のロッドに流されました。アーク蒸発プロセス中にカーボンロッド上にカーボンナノボールが形成されました。その後、カーボンナノボールは、200 kV（キロボルト）で動作するエネルギー分散型X線、X線回折、ラマン分光法を備えたFE-SEM（電界放出走査電子顕微鏡）とSTEM（走査透過型電子顕微鏡）を使用して検査されました。形成されたカーボンナノボールのほとんどは焼結されていました（熱や圧力によって形成された固体の塊）。グループではなく個別に存在する微量のナノボールも、綿のようなナノ材料とともに検出されました。^[1]

安徽省理工大学が実施したテストでは、セル電極内のカーボンナノボールは高い可逆容量と約74%の容量保持率を示すことが示されています。これは、バッテリーが非常に速く放電でき、適切な条件下ではバッテリーの総エネルギーのほぼ4分の3が利用可能であることを意味します。大連海事大学材料技術研究所が実施したテストでは、カーボンナノボールを使用してシリコンなどの他の材料のエネルギー出力をさらに高めることができることも示されました。^[2]シリコンカーボンナノボールの分子構造を変更すると、充電および放電容量の増加、サイクル安定性（バッテリーを交換するまでの時間）の延長、および良好なレート性能も得られます。^[4]

炭素と同様に、リチウムも優れたエネルギー伝導体です。市販のリチウムイオン電池にもすでに使用されています。リチウムは、他の元素よりもイオンの移動速度が速く、そのエネルギーをより長く保持できるため、優れたエネルギー伝導体となります。研究により、リン酸粒子を LiFePO ₄ (リン酸鉄リチウム) の層でコーティングすると、イオンの移動速度がさらに速くなることがわかっています。リン酸鉄リチウムは、Li ₂ CO ₃ (炭酸リチウム)、FeC ₂ O ₄ (シュウ酸鉄(II))、および NH ₄ H ₂ PO ₄ (リン酸二水素アンモニウム) を使用した固体反応によって製造されました。次に、化合物をアセトンに入れてボールミル粉砕（特殊な円筒形の装置で材料を一緒に粉砕する）し、350 °Cで10時間加熱してから室温まで冷却しました。次に、混合物を10,000ポンドの圧力でペレット化し、アルゴン下で600 °Cで10時間再度加熱しました。作成された各ナノボールの直径は約50 nm（ナノメートル）でした。通常の状況では、電気化学システム（例：バッテリー）はスーパーキャパシタでのみ高い電力レートを達成できます。スーパーキャパシタは、電極上の荷電種の表面吸着反応を通じてエネルギーを蓄えることにより、高い電力レートを実現します。ただし、これによりエネルギー密度が低くなります。材料の表面に電荷を蓄えるだけでなく、リン酸鉄リチウムは、それ自体の大部分（カーボンナノボールの内部）に電荷を蓄えることにより、高い電力レートと高いエネルギー密度を実現できます。これが可能なのは、リン酸鉄リチウムのリチウムバルク移動度が高いためです。制御されたオフストイキオメトリー（分子式中の反応物と生成物のモル比を制御する）を通じて高速イオン伝導性表面相を作り出すことで、超高速放電速度が可能になりました。^[5]

放電率テストは、30%の活性物質、65%の炭素、5%の結合剤を含む電極で実施されました。リン酸鉄リチウムナノボールはアルゴン充填グローブボックス内で組み立てられ、Maccor 2200（バッテリーテストシステムの一種）を使用してテストされました。Maccor 2000は定電流モード（電気化学的性能を測定）に設定され、リチウム金属をアノード、非水電解質、Celgard 2600または2500をセパレーターとして使用しました。^[5]最終的な放電率は、約10〜20秒でバッテリーを充電できるほど速く、通常のバッテリーの約100倍の速さでした。

これは実験室環境で行われる実験的な手順であるため、このタイプの技術を実装した市販製品はまだありません。 テスラモーターズは、ナノボールバッテリーを車両に実装することを検討しましたが、必要なエネルギー量と、その量のエネルギーを転送するために必要なケーブルを考えると、非常に非効率的です。現時点では、ナノボールバッテリーはまだ実験段階です。ナノボールバッテリーは、車や電話で使用されるだけでなく、その小さなサイズと高い放電率により、エネルギーを迅速かつ効率的に分散できるため、第三世界の国や災害被災地の救援にも使用できます。^{[引用が必要]}

ナノボール電池は大きな可能性を秘めていますが、現在の電池に代わる現実的な選択肢となるには、改良が必要です。今後の研究では、リチウム電池のカソードにナノボールを組み込むことや、電池内でナノボールをシリコンなどの他の材料と融合させることなどが考えられます。華東科技大学の材料科学工学部で行われた研究では、シリコンナノボールをグラフェン/カーボンコーティングでコーティングすると、シリコンナノボールの劣化が早まらず、電池全体の電気機械性能が向上することが示されています。^[6]自動車やその他の電気自動車での商用利用には、ナノボール電池はより少ないエネルギーで車両を充電できる必要があります。電池はすぐに放電できますが、電池に投入するには多すぎるエネルギーが必要です。修正が必要なもう1つの問題は、電池はすぐに放電できますが、それだけのエネルギーを長時間保持するのが難しいことです。電池が保持できるエネルギーの限界を増やすと、電池の効率が大幅に向上します。この技術により、現在生産されているバッテリーよりもカソード材料の劣化速度が遅くなるため、バッテリーの小型化も可能になる可能性がある。^[要出典]

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