リチウム電池の防爆結果がネイチャー誌の表紙に登場、UCLAの中国チームが制作

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今日、リチウム金属電池に関する研究がネイチャー誌の表紙に掲載されました。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の中国研究チームは、金属リチウムが急速に腐食層を形成するのを防ぐ方法を開発した。

この技術により、リチウム原子構造は科学者がこれまで観察したことのない形状を形成することになります。

菱形十二面体。

これはゲーム「ダンジョンズ＆ドラゴンズ」で使用されるサイコロに少し似ています。

——このように明確かつ具体的な説明は、既存のリチウム金属電池の構造を改良して爆発リスクを軽減し、現在最も懸念されている安全上の問題を解決できることを意味します。

この調査報告書によれば、これは高性能エネルギー技術に重大な影響を及ぼす可能性がある。

具体的にはどう言えばいいでしょうか？

リチウム原子の真の形が初めて明らかに

リチウム電池はリチウムイオン電池とリチウム金属電池に分けられることが知られています。

前者はすでに携帯電話、電気自動車、太陽光や風力エネルギーの貯蔵に広く使用されています。

後者は前者の2倍のストレージ容量を備えていますが、まだ広く開発され、採用されていません。理由の 1 つは、火災や爆発の危険性がさらに高くなることです。

具体的には、微視的なスケールで見ると、リチウムイオン電池は電極を覆う「ケージのような」炭素構造内に正に帯電したリチウム原子を蓄えます。

対照的に、リチウム金属電池は電極に金属リチウムがコーティングされており、金属リチウムの腐食、つまり酸化によって電気を生成します。

リチウムイオン電池と比較すると、同じスペースに10倍のリチウムが含まれており、性能が向上する一方で、リスク要因も増加しています。

これは主に、充電時にアノードのリチウム金属を「再形成」する必要があることを意味しますが、このプロセスはバッテリーの電解質と集電体の影響を受け、リチウム堆積物の形状が予期せず変化します。

たとえば、突起したスパイクを持つ微細な分岐フィラメントを形成し、スパイクのうち 2 つが交差するとショートが発生し、爆発が発生する可能性があります。

ここで研究者たちは、腐食層が形成される前にリチウムを堆積させる方法を見つけ、この膜なしでリチウムがどのように成長するかを観察できるようにしたいと考えました。

この目的を達成するために、彼らは通常よりもはるかに小さい電極を使用して電気を流し、より速く電気を放電できるようにする防食方法を開発しました。

例えば、この方法の原理は、散水時にホースのノズルの一部を指でふさぐと、水がより勢いよく噴射されるのと似ています。

もちろん、著者らは、プロセス全体でバランスを取る必要があると述べている。速度が速すぎると、同じスパイク構造が現れ、短絡につながるからだ。

この問題は、マイクロ電極の形状を調整することで解決できます。

次に、4つの異なる電解質を使用して電極表面にリチウムを堆積させ、クライオ電子顕微鏡で観察しました。

最終的に、耐腐食技術のないリチウムは4 つの異なる微細形状を形成しました。

研究者たちはこれらのサンプルから非常に驚くべき結果をいくつか観察しました。

4 つのケースすべてにおいて、リチウム原子は長さ 2 マイクロメートル以下、つまり平均的な細菌とほぼ同じ直径の小さな十二面体構造を形成しました。

実際の画像は次のようになります。

著者らは、リチウム金属の構造についてはこれまで何千もの論文が研究されてきたが、結局は「ブロック状」や「柱状」といった漠然とした説明しか得られなかったと述べている。

彼らの成果は、より明確な構造をようやく発見したことに相当し、金属結晶構造に基づく理論的予測とも一致する。

これは、リチウム原子が交差したり乱雑になったりするのではなく、整然と積み重なっていることを意味し、爆発の危険性がはるかに小さくなります。

幸いなことに、科学者や技術者たちは20年以上にわたって、金、プラチナ、銀などの金属をナノキューブ、ナノスフィア、ナノロッドなどの形状に合成する研究に取り組んできました。

したがって、次の質問は次のようになります。

リチウム金属電池の安全な形状がわかったので、既存の構造をそれに応じて調整して（上図のように立方体を形成し、密に積み重ねられるようにする）、最終的にこのタイプの電池の安全性と性能を向上させることはできるでしょうか?

著者について

この論文は、UCLAの化学および生体分子工学の助教授であるYuzhang Li氏と共同執筆された。彼はカリフォルニア大学バークレー校で学士号を取得し、スタンフォード大学で材料科学と工学の博士号を取得しました。

責任著者は、UCLA の微結晶電子回折(MicroED)技術の主任科学者である Matthew Mecklenburg です。

他の2人の共著者はどちらも中国人です。

一人は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の化学工学博士課程の学生、Xintong Yuanさんです。彼女は四川大学と天津大学でそれぞれ学士号と修士号を取得しました。

もう1人は、同じく第一著者であるYuzhang Li教授の研究室に所属するBo Liuという学生です。

論文アドレス: https://www.nature.com/nature/volumes/620/issues/7972