ナノバッテリー

ナノバッテリーは、ナノスケールの技術、つまり100ナノメートル（10 ⁻⁷メートル）未満の粒子を使用して製造されたバッテリーです。 ^{[2] [3]}これらのバッテリーはナノサイズの場合もあれば、マクロスケールのバッテリーでナノテクノロジーを使用する場合もあります。ナノスケールのバッテリーは、ナノポアバッテリー内のようにマクロバッテリーとして機能するように組み合わせることができます。^[4]

従来のリチウムイオン電池技術では、コバルト酸化物やマンガン酸化物などの活性物質が使用され、粒子のサイズは5～20マイクロメートル（5000～20000ナノメートル、ナノスケールの100倍以上）の範囲です。ナノエンジニアリングにより、体積膨張や電力密度など、現在の電池技術の多くの欠点が改善されると期待されています。^{[5] [6] [7]}

バッテリーは化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、主に次の 3 つの部分で構成されています。

• 陽極（正極）
• カソード（負極）
• 電解質

陽極と陰極には2つの異なる化学ポテンシャルがあり、それはどちらかの末端で起こる反応に依存します。電解質はイオン伝導性の固体または液体です。^[7]電極と電解質の境界は固体電解質界面（SEI）と呼ばれます。電極間に回路を接続すると、バッテリーに蓄えられた化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。

バッテリーの電荷貯蔵能力は、エネルギー密度と電力密度に依存します。電荷を貯蔵し続けることができ、バッテリー内に最大量の電荷を貯蔵できることが重要です。サイクリングと体積膨張も重要な考慮事項です。他の多くのタイプのバッテリーが存在しますが、現在のバッテリー技術は、高い電力密度とエネルギー密度、長いサイクル寿命、メモリ効果がないリチウムイオンインターカレーション技術に基づいています。これらの特性により、リチウムイオンバッテリーは他のタイプのバッテリーよりも好まれています。^[8]バッテリー技術を改善するには、サイクリング能力とエネルギー密度と電力密度を最大化し、体積膨張を最小限に抑える必要があります。

リチウム挿入中、電極の体積が膨張し、機械的ひずみが発生します。この機械的ひずみにより電極の構造的完全性が損なわれ、電極に亀裂が生じます。^[5] ナノ粒子は、ナノ粒子に伴う体積膨張がマイクロ粒子に伴う体積膨張よりも小さいため、電池がサイクルを経る際に材料にかかるひずみの量を減らすことができます。^{[5] [6]}ナノ粒子に伴うわずかな体積膨張は、電池の可逆性、つまり電池が電荷を失うことなく多くのサイクルを経る能力も向上させます。^[6]

現在のリチウムイオン電池技術では、リチウムの拡散速度は遅い。ナノテクノロジーにより、より速い拡散速度を実現できる。ナノ粒子は電子の移動に必要な距離が短いため、拡散速度が速くなり、導電性が高くなり、最終的には電力密度が高くなります。^{[5] [6]}

ナノテクノロジーを電池の製造に利用すると、次のような利点がある。^[9]

• バッテリーから得られる電力を増やし、バッテリーの再充電に必要な時間を短縮します。これらの利点は、電極の表面をナノ粒子でコーティングし、電極の表面積を増やすことで実現され、電極とバッテリー内の化学物質の間に流れる電流が増加します。^[10]
• ナノマテリアルは、バッテリーが使用されていないときに、バッテリー内の液体から電極を分離するためのコーティングとして使用できます。現在のバッテリー技術では、液体と固体が相互作用し、低レベルの放電を引き起こします。これにより、バッテリーの保存寿命が減少します。^[11]

ナノテクノロジーはバッテリーにおいて独自の課題をもたらします。

• ナノ粒子は密度が低く表面積が大きい。表面積が大きいほど、表面で空気と反応する可能性が高くなり、バッテリー内の材料を不安定にする。^{[6] [5]}
• ナノ粒子の密度が低いため、粒子間の抵抗が高くなり、材料の電気伝導性が低下します。^[12]
• ナノ材料は製造が難しく、コストが上昇する可能性があります。ナノ材料はバッテリーの能力を大幅に向上させる可能性がありますが、製造コストが高すぎる可能性があります。^[10]

リチウムイオン電池の潜在能力を最大限に引き出すために、多くの研究が行われてきました。太陽光、風力、潮力などのクリーンエネルギー資源を適切に活用するためには、グリッドエネルギー貯蔵に使用される大量のエネルギーを貯蔵できる電池が必要です。リン酸鉄リチウム電極は、グリッドエネルギー貯蔵への潜在的な応用について研究されています。^[6]

電気自動車もバッテリーの改良を必要とする技術の一つです。^[13]現在、電気自動車のバッテリーは充電に長い時間を要するため、長距離走行可能な電気自動車での使用は事実上不可能です。^[5]

リチウムイオン電池のアノードは、ほとんどの場合グラファイトです。^[8]グラファイトアノードは、熱安定性を改善し、より高い出力能力を生み出す必要があります。^[14]グラファイトと他の特定の電解質は、電解質を還元してSEI（固体電解質界面）を生成する反応を起こす可能性があり、実質的に電池の電位を低下させます。現在、これらの反応を阻止するためにSEIのナノコーティングが研究されています。^[8]

リチウムイオン電池では、SEIは熱安定性に必要ですが、電極から電解質へのリチウムイオンの流れを妨げます。パークらは、SEIが電極に干渉せず、代わりにSEIがポリドーパミンコーティングと相互作用するナノスケールのポリドーパミンコーティングを開発しました。^[14]

グラフェンは、2004年に初めて単離されて以来、電池などの電気化学システムでの使用について広く研究されてきました。 ^[15]グラフェンは、高い表面積と優れた導電性を備えています。^[16]現在のリチウムイオン電池技術では、グラファイトの2Dネットワークがリチウムイオンのスムーズなインターカレーションを妨げています。リチウムイオンは、電解質に到達するために2Dグラファイトシートの周りを移動する必要があります。これにより、電池の充電速度が低下します。この問題を改善するために、現在、多孔質グラフェン材料が研究されています。多孔質グラフェンでは、2Dシートに欠陥が形成されるか、3Dグラフェンベースの多孔質上部構造が作成されます。^[15]

グラフェンをアノードとして使用すると、体積膨張の問題が起こらないように膨張のためのスペースが確保されます。3Dグラフェンは極めて高いリチウムイオン抽出率を示しており、高い可逆容量を示しています。^[15]また、以下に示すグラフェンアノードのランダムな「カードハウス」の視覚化により、リチウムイオンはグラフェンの内部表面だけでなく、グラフェンの単層の間に存在するナノ細孔にも保存されます。^[17]

ラチチーニらは、グラフェンとグラフェンベースの複合材料の欠点についても概説した。グラフェンは、最初のリチウム化段階で大きな不可逆メカニズムを持つ。グラフェンは表面積が大きいため、初期の不可逆容量が大きくなる。彼は、この欠点が非常に大きいため、グラフェンベースのセルは「実現不可能」であると主張した。^[17]アノードにおけるグラフェンの研究はまだ行われている。

カーボンナノチューブは、リチウムイオン電池のようなインターカレーションを利用する電池の電極として使用され、容量の向上に役立っています。^[18]

チタン酸化物は、電気自動車やグリッドエネルギー貯蔵への応用が研究されているもう一つのアノード材料です。^[6]しかし、チタン酸化物の電子およびイオン能力の低さ、および高コストにより、この材料は他のアノード材料よりも不利であることが判明しています。^[8]

シリコンベースのアノードも研究されており、その理論容量はグラファイトよりも高いことが知られています。^{[8] [19]}シリコンベースのアノードは、電解質との反応速度が高く、体積容量が低く、サイクリング中の体積膨張が非常に大きいです。^[12]しかし、最近ではシリコンベースのアノードの体積膨張を減らす研究が行われています。Liuらは、シリコン原子の周りに導電性炭素の球体を作成することで、この小さな構造変化により、電極に機械的な歪みを与えることなくシリコンが膨張および収縮するのに十分な余地が残ることを証明しました。^[12]

カーボンナノ構造は、電極、特にカソードの能力を高めるために使用されています。^{[6] [20] [21]} LiSO ₂電池では、カーボンナノ構造により、理論的には現在のリチウムイオン電池技術よりも電池のエネルギー密度を70％高めることができました。^[20]一般に、リチウム合金はリチウムイオンよりも理論的なエネルギー密度が高いことがわかっています。^[5]

従来、リチウムイオン電池の正極にはLiCoO ₂が使われてきました。電気自動車に初めて使用された代替正極はLiFePO ₄でした。^[8] LiFePO _{4はLiCoO 2}に比べて電力密度が高く、寿命が長く、安全性が向上しています。^[8]

グラフェンは正極材料の電気伝導性を向上させるために使用できる。LiCoO ₂、LiMn ₂ O ₄、LiFePO ₄はいずれもリチウムイオン電池で一般的に使用されている正極材料である。これらの正極材料は、通常、他の炭素複合材料と混合してレート能力を向上させている。グラフェンはカーボンブラックなどの他の炭素複合材料よりも電気伝導性が高いため、グラフェンは他の炭素複合添加剤よりもこれらの正極材料を改善する能力が高い。^[17]

ピアオらは、多孔質グラフェンとグラフェンのみとの比較を特に研究した。LiFePO _{4と組み合わせた多孔質グラフェンは、LiFePO 4}と組み合わせたグラフェンのみよりもサイクル安定性が向上した。^{[15]多孔質グラフェンはリチウムイオンの拡散に適した細孔チャネルを形成し、LiFePO} ₄粒子の蓄積を防いだ。 ^[15]

ラチチーニらは、ナトリウムイオン電池のカソードとしてグラフェンベースの複合材料を提案した。ナトリウムイオンは一般的なグラファイト格子に収まるには大きすぎるため、グラフェンはナトリウムイオンの挿入を可能にする。グラフェンは、リチウム硫黄電池に関連するいくつかの問題を解決することも提案されている。リチウム硫黄電池に関連する問題には、電解質中の中間体の溶解、大きな体積膨張、および電気伝導性の低さなどがある。 [ ^17]これらの電池の容量、安定性、および伝導性を改善するために、カソードでグラフェンを硫黄と混合してきた。^[17]

変換電極は化学イオン結合が破壊され再結合される電極である。分子の結晶構造の変化も起こる。^[22]変換電極では金属イオン1個につき3個のリチウムイオンを収容できるが、現在のインターカレーション技術では金属イオン1個につき1個のリチウムイオンしか収容できない。^{[6]リチウム対金属イオンの比率が大きいほど、電池容量が増加する。変換電極の欠点は電圧}ヒステリシスが大きいことである。^[22]

Balkeらは、ナノスケールでのリチウムイオン電池のインターカレーション機構を理解することを目指している。^[23]この機構はマイクロスケールでは理解されているが、物質の挙動は物質のサイズによって変化する。Zhuらも走査プローブ顕微鏡を用いてナノスケールでのリチウムイオンのインターカレーションをマッピングしている。^[24]

リチウム電池のインターカレーションの数学的モデルはすでに計算されており、現在も調査中である。^{[25] [26]}ウィッティンガムは、リチウムイオンが電池の電解質中を移動するメカニズムは一つではないと示唆した。その動きは、粒子サイズ、電池の熱力学的状態または準安定状態、反応が連続的に進行しているかどうかなど、さまざまな要因に依存していた。^[25]彼らのLiFePO ₄ – FePO ₄の実験データは、リチウムイオンが電解質内で直線的にまっすぐにジャンプするのではなく、曲線的に移動することを示唆していた。^[25]

多価カチオンについてもインターカレーション機構が研究されている。Leeらは充電式亜鉛電池の適切なインターカレーション機構を研究し、決定した。^[27]

カーボンナノチューブファイバースプリングを電極として使用する研究も行われています。^[28] LiMn ₂ O ₄とLi ₄ Ti ₅ O _12は、それぞれカソードとアノードとして使用されてきたナノ粒子であり、元の長さの300％まで伸びる能力が実証されています。伸縮性電子機器の用途には、エネルギー貯蔵装置や太陽電池などがあります。^[28]

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究者らは、プリンテッドエレクトロニクス技術を使用してフレキシブルバッテリーを製造するための「ナノチューブインク」の開発に成功した。 ^[18]カーボンナノチューブのネットワークは、亜鉛炭素電池のカソードで電子伝導ナノワイヤの形態として使用されている。ナノチューブインクを使用すると、亜鉛炭素電池のカーボンカソードチューブと酸化マンガン電解質コンポーネントを表面に異なる層として印刷することができ、その上に亜鉛箔のアノード層を印刷することができる。この技術は、金属シートやフィルムなどの電荷コレクターをカーボンナノチューブのランダムな配列に置き換える。カーボンナノチューブは導電性を追加する。^[18]厚さ1ミリメートル未満の薄くて柔軟なバッテリーを製造できる。

電池の放電電流は現時点では実用レベルを下回っているが、インク内のナノチューブは従来の電池よりも効率的に電荷を伝導することを可能にするため、ナノチューブ技術は電池性能の向上につながる可能性がある。^{[29]このような技術は、}太陽電池、スーパーキャパシタ、発光ダイオード、スマート無線周波数識別（RFID）タグに適用できる。

東芝はナノ材料を使用することでリチウムの表面積を増やし、ボトルネックを広げ、粒子が液体を通過してバッテリーをより速く充電できるようにしました。東芝は、新しいバッテリーを77℃で1000回放電および完全充電するテストを行い、容量の損失がわずか1％であることを発見したと述べています。これはバッテリー寿命が長いことを示しています。東芝のバッテリーは厚さ3.8mm、高さ62mm、奥行き35mmです。

A123Systems 社は、商用ナノ Li-ion バッテリーも開発しました。A123 Systems 社は、同社のバッテリーは-30 ～ +70 °Cという最も広い温度範囲に対応していると主張しています。東芝のナノバッテリーと同様に、A123 Li-ion バッテリーは 5 分で「高容量」まで充電されます。安全性は A123 テクノロジーが売りにしている重要な機能で、同社の Web サイトには釘打ちテストのビデオが掲載されています。このテストでは、従来の Li-ion バッテリーと A123 Li-ion バッテリーに釘を打ち込みます。従来のバッテリーは炎を上げて一方の端で泡を出しますが、A123 バッテリーは貫通部から煙を少し出すだけです。熱伝導性も A123 バッテリーのもう 1 つのセールス ポイントで、A123 バッテリーは従来の円筒形リチウムイオン セルよりも 4 倍高い熱伝導性を備えているとされています。同社が採用しているナノテクノロジーは、特許取得済みのナノリン酸テクノロジーです。

また、市場にはValence Technology社も参入しています。同社が販売している技術は Saphion Li-ion 技術です。A123 と同様に、同社もナノリン酸技術と、従来の Li-ion バッテリーとは異なる活性物質を使用しています。

AltairNano 社は、 1 分間で再充電できるナノバッテリーも開発しました。Altair 社が主張する進歩は、ナノ構造のチタン酸リチウムスピネル酸化物 (LTO) の最適化にあります。

US Photonics 社は、アノードとカソードの両方に「環境に優しい」ナノ材料を使用し、固体ポリマー電解質用に個別のナノサイズセルコンテナのアレイを使用するナノバッテリーを開発中です。US Photonics 社は、ナノバッテリー技術の開発のために、国立科学財団 SBIR フェーズ I 助成金を受けています。

ソニーは1991年に世界初のコバルト系リチウムイオン電池を製造しました。この世界初のリチウムイオン電池の誕生以来、ナノ電池の研究が進められており、ソニーはナノ電池分野への進出を続けています。

• スーパーキャパシタ
• ナノエレクトロニクス
• ナノテクノロジー
• 電池の種類一覧

• https://web.archive.org/web/20140712040425/http://accelerated.org/articles/phevfuture.html
• https://web.archive.org/web/20061209094343/http://www.accelerated.org/newsletter/2005/31may05.html
• http://www.technewsworld.com/story/hardware/41889.html
• http://www.a123systems.com
• http://www.valence.com/
• https://web.archive.org/web/20070710213510/http://www.altairnano.com/markets_amps.html
• UnderstandingNano ウェブサイトにおけるナノバッテリーの概要
• [1]