ナノワイヤ電池

ナノワイヤ電池はナノワイヤを使用して片方または両方の電極の表面積を増やし、電池の容量を向上させます。リチウムイオン電池のバリエーションとして、シリコン、ゲルマニウム、遷移金属酸化物などの設計がいくつか発表されていますが、市販されているものはありません。これらのコンセプトはすべて、従来のグラファイトアノードに代わるもので、電池の性能を向上させることができます。各タイプのナノワイヤ電池にはそれぞれ長所と短所がありますが、それらすべてに共通する課題は、その脆弱性です。^[1]

シリコンは、放電電位と高い理論充電容量（現在業界で使用されている一般的なグラファイトアノードの10倍）のため、リチウム電池のアノードとして魅力的な材料です。ナノワイヤは、電解質と接触する利用可能な表面積を増やし、アノードの電力密度を高め、より高速な充電と放電を可能にすることで、これらの特性を改善できます。しかし、充電中にリチウムと合金化するとシリコンは最大400％膨張し、分解を引き起こします。この体積膨張は、移動するリチウム化フロント直後の亀裂伝播によって異方的に発生します。これらの亀裂により、最初の数サイクルで粉砕と大幅な容量損失が目立ちます。^[2]

ナノワイヤは体積膨張を緩和するのに役立つ可能性がある。ナノワイヤの直径が小さいため、リチウム化中の体積変化への適応性が向上する。もう 1 つの利点は、すべてのナノワイヤが集電体に取り付けられているため、電荷輸送の直接経路として機能できることである。対照的に、粒子ベースの電極では、電荷は粒子から粒子へと強制的に移動するため、効率の悪いプロセスとなる。シリコンナノワイヤの理論容量は約 4,200 mAh g ^{−1 で、他のシリコン形式よりも大きく、グラファイト (372 mAh g −1} )よりもはるかに大きい。 ^[3]

グラファイトアノードと同様に、シリコンアノードは最初の充電サイクル中に表面に不活性化層（固体電解質界面）を形成します。シリコンナノワイヤを炭素でコーティングすると、これらの層の安定性が向上します。^[4]

ナノワイヤアノードにリンやホウ素などの不純物をドーピングすると、導電性が向上し、性能が向上することもあります。^[5]

ゲルマニウムナノワイヤを使用したアノードは、リチウムイオン電池のエネルギー密度とサイクル耐久性を高める能力があると主張されています。シリコンと同様に、ゲルマニウムは理論上の容量が高く（1600 mAh g-1）、充電中に膨張し、数回のサイクル後に崩壊します。^{[6] [7]しかし、ゲルマニウムはシリコンよりもリチウム}を挿入する効率が400倍高いため、魅力的なアノード材料となっています。アノードは、20～100Cの放電率でも、1100サイクル後でも900 mAh/gの容量を保持すると主張しています。この性能は、最初の100サイクル以内にナノワイヤが再構築され、機械的に堅牢で連続的に多孔質のネットワークが形成されるためであるとされています。一度形成されると、再構築されたアノードは、その後のサイクルごとに容量がわずか0.01％しか失われません。^[8]この材料は、これらの初期サイクルの後、粉砕に耐えることができる安定した構造を形成します。 2014年に研究者らは水溶液からゲルマニウムのナノワイヤを製造する簡単な方法を開発した。^[9]

_{Cr 2} O ₃、Fe ₂ O ₃、MnO ₂、Co ₃ O ₄、PbO ₂などの遷移金属酸化物（TMO）は、リチウムイオン電池（LIB）やその他の電池システムの従来のセル材料に比べてアノード材料として多くの利点があります。^{[10] [11] [12]}これらの中には、理論上のエネルギー容量が高く、天然に豊富で、無毒で、環境にも優しいものもあります。 ナノ構造電池電極の概念が導入されたため、実験者はTMOベースのナノワイヤを電極材料として使用する可能性を検討し始めています。 この概念に関する最近の研究については、次のサブセクションで説明します。

鉛蓄電池は最も古いタイプの充電式電池セルです。セル製造のための原材料（PbO ₂）は比較的入手しやすく安価であるにもかかわらず、鉛蓄電池セルの比エネルギーは比較的小さいです。^[13]動作サイクル中のペーストの増粘効果（体積膨張効果）も電解質の有効な流れを妨げます。これらの問題により、セルがエネルギー集約型のタスクを達成する可能性が制限されていました。

2014年、実験者は単純なテンプレート電着法でPbO ₂ナノワイヤを得ることに成功しました。このナノワイヤの鉛蓄電池用アノードとしての性能も評価されました。表面積が大幅に増加したため、このセルは1,000サイクル後でも約190mAh g ⁻¹というほぼ一定の容量を発揮することができました。^{[14] [15]}この結果は、このナノ構造のPbO _2が通常の鉛蓄電池アノードのかなり有望な代替品であることを示しました。

MnO _{2 は}、エネルギー容量が高く、毒性がなく、コスト効率に優れているため、常に電極材料の優れた候補となっています。しかし、充電/放電サイクル中に結晶マトリックスにリチウムイオンが挿入されると、大幅な体積膨張が発生します。動作サイクル中のこの影響を打ち消すために、科学者は最近、公称化学量論比の Li ₂ MnO ₃でLi 濃縮 MnO _{2ナノワイヤを}LIBのアノード材料として製造するというアイデアを提案しました。この新しく提案されたアノード材料により、バッテリーセルは500 サイクル後でも 500 mA の電流密度で1279 mAh g ⁻¹のエネルギー容量に到達できます。 ^{[16]この性能は、純粋な MnO} ₂アノードや MnO ₂ナノワイヤアノードセル よりもはるかに高いものです。

異なる遷移金属酸化物のヘテロ接合により、LIB のより総合的な性能が得られる可能性があります。

2013年、研究者らは水熱法を用いて分岐型Co ₃ O ₄ /Fe ₂ O ₃ナノワイヤヘテロ構造の合成に成功した。このヘテロ接合はLIBセルの代替アノードとして使用できる。動作時には、Co ₃ O _4はより効率的なイオン輸送を促進し、Fe ₂ O _3は表面積を増やすことでセルの理論容量を高める。980 mAh g ⁻¹という高い可逆容量が報告されている。^[17]

_{異種ZnCo 2} O ₄ /NiOナノワイヤアレイアノードの製造の可能性もいくつかの研究で検討されている。^[18]しかし、この材料のアノードとしての効率はまだ評価されていない。

2016年、カリフォルニア大学アーバイン校の研究者らは、ナノワイヤが破損することなく20万回以上の充電サイクルが可能なナノワイヤ材料の発明を発表しました。この技術は、ほとんどの用途で交換の必要がない電池につながる可能性があります。 金ナノワイヤは、プレキシガラスのようなゲル電解質に包まれた二酸化マンガンの殻によって強化されています。この組み合わせは信頼性が高く、故障しにくいものです。テスト電極を約20万回充電した後も、容量や電力の損失はなく、ナノワイヤの破損も発生しませんでした。^[19]

• 電池の種類一覧
• 新興技術のリスト
• ナノボール電池

• 「スタンフォードのナノワイヤ バッテリーは、既存のバッテリーの 10 倍の電荷を保持します」。スタンフォード ニュース サービス。2007 年 12 月 18 日。2008 年 2 月 1 日のオリジナルからアーカイブ。
• 「ナノワイヤ バッテリーは、既存のリチウムイオン バッテリーの 10 倍の電荷を保持できます」。スタンフォード ニュース サービス。2007 年 12 月 18 日。
• 「ナノワイヤ バッテリーは既存のバッテリーの 10 倍の電荷を保持します」。Physorg.com。2007年 12 月 18 日。
• Chan, CK; Peng, H; Liu, G; McIlwrath, K; Zhang, XF; Huggins, RA; Cui, Y (2007-12-16). 「シリコンナノワイヤを使用した高性能リチウム電池アノード」。Nature Nanotechnology . 3 (1): 31–5. Bibcode :2008NatNa...3...31C. doi :10.1038/nnano.2007.411. PMID  18654447.
• 「リチウムイオン電池の簡単な紹介」Amprius 2009-12-11。2009-12-21 にオリジナルからアーカイブ。
• リチウムイオン電池用グラフェン-シリコンアノードが商用化。
• XGS は、リチウムイオン電池用の新しいシリコングラフェンアノード材料を発表しました。