新しい電解質はEVバッテリーの寒さへの耐性を助けることができる

リチウムイオン電池のエネルギー密度は年々増加しており、電気自動車の航続距離が長くなりました。 しかし、冬の気温とともにそのゴルフ練習場は急激に減少します。 このバッテリー性能の低下は、顧客が EV を購入したくない理由としてよく挙げる理由の 1 つです。

研究者らはバッテリーの電解液を再設計することで、マイナス20℃までの温度でも動作するバッテリーを開発した。 研究者らがこれまでに報告した他の寒冷地用バッテリーと比較して、このバッテリーは1年以上という記録破りの寿命を持っている。

現在のバッテリーは、0 °C ～ 40 °C の温度で正常に動作します。 より広範囲に導入するために、開発者は、-40 °C から 60 °C までのより広い温度範囲で動作するバッテリーの製造に努めています。 「リチウムイオン電池の低温での高いエネルギー密度と長寿命は、全気候対応型電気自動車の開発の鍵となります」と北京工業大学のチョン・ヤン氏は言う。

現在、寒冷地でもバッテリーを動作させるために、メーカーは外部に断熱材と断熱材を追加しています。 しかし、これにより体積も増加し、その追加重量を運ぶと航続距離が短くなります。 さらに、高高度のドローンや人工衛星など、重量に敏感な用途の寒冷地用バッテリーには最適ではありません。

多くの研究者は、バッテリー電極間でリチウムイオンを往復させる電解質に焦点を当て、低温でのバッテリー性能を向上させようと試みています。 極寒の温度ではこれらの電解質が濃くなるため、イオンの移動が遅くなり、容量の損失と充電の遅れにつながります。 一部のチームは最近、低温溶媒を使用して電解質を製造したり、耐寒性を向上させる電解質中の化学添加剤をテストしたりしています。 広範囲の温度に対応できるまったく新しい電解質を配合した製品もあります。

Yan 氏は、清華大学の Qiang Zhang 氏およびその同僚とともに、低温溶媒アプローチに焦点を当てました。 このような溶剤は寒冷地での性能には役立ちますが、高温ではガスを発生し、電池寿命を縮めることが知られています。 「しかし、ガス発生メカニズムとそれに対応する抑制戦略はまだ不明です」とヤン氏は言う。

マター誌に掲載された論文の中で、研究者らは今回、ガス発生の背後にあるメカニズムを明らかにし、この問題の回避策として設計した新しい高濃度電解質を提案している。

彼らは、リチウムメッキ（電池の黒鉛陽極の表面にリチウム金属が蓄積したもの）がガス発生の原因であることを発見しました。 冬季の気温では、リチウムイオンの移動が遅いため、電解液からグラファイトに入る際に混雑する傾向があり、最終的には表面にリチウム金属の一部が蓄積します。 研究者らは、一般的に使用される低温溶媒の酢酸エチルがこのメッキされたリチウムと激しく反応し、水素とエタンガスが生成されることを発見した。 ガスの蓄積による圧力により、最終的には電極に亀裂が入り、バッテリーが故障します。

このガスの発生に対処するために、研究者らは、90パーセントの酢酸エチルと10パーセントのフルオロエチレンカーボネートからなる溶媒に通常より多量のリチウム塩を溶解して電解質を作成した。

次に研究者らは、この電解質、グラファイト陽極、および 80% のニッケル、10% のコバルト、10% のマンガンでできた NMC811 陰極を使用してバッテリーセルを作成しました。 NMC811 正極は、エネルギー密度が高く、高価なコバルトの使用が最小限に抑えられているため、今日の高性能リチウムイオン電池に使用されています。

「私たちが使用する材料はすべて市販されており、提案された電解質は大規模な製造が合理的です」とヤン氏は述べ、新しいアプローチは今日の一般的な電池の化学的性質や製造プロセスに簡単に適用できると述べています。

研究者らは、酢酸エチルを主溶媒として使用すると、バッテリーセルが-40℃までの温度で動作し続けることを示しました。 一方、リチウム塩はフルオロエチレンカーボネートと反応して、アノード上に固体層を形成します。この固体層はリチウムイオンを伝導しますが、表面に必然的にメッキを施す金属リチウムも保護します。 保護層は、メッキされたリチウムが酢酸エチルと反応してガスを生成するのを防ぎます。

テストでは、セルは -40 °C の室温での容量の 4 分の 3 以上を保持しました。 また、1,400 サイクル以上充電できます。これは、バッテリーが 1 年間に経験する平均充電サイクル数です。

しかし、克服すべきボトルネックはまだある、とヤン氏は言う。 電解液は従来のものに比べて比較的高価であり、バッテリーは-50℃以下の温度では効率的に機能しません。 そこでチームは現在、低温性能を改善するだけでなく、「リチウム塩の濃度と溶媒の種類をさらに最適化し、電解液のコスト削減に努める」ことを計画している。