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コロラド大学ボルダー校のマイケル・トニー氏とチームは、時間の経過とともにリチウムイオン電池のコインセルの容量が低下するかテストしました。
A new study led by an engineer at the University of Colorado Boulder could help scientists develop better batteries, which would allow electric vehicles to run farther and last longer, while also advancing energy storage technologies that would accelerate the transition to clean energy.
コロラド大学ボルダー大学のエンジニアが主導した新たな研究は、科学者がより優れたバッテリーを開発するのに役立つ可能性があり、これにより電気自動車の走行距離と寿命の延長が可能になると同時に、クリーンエネルギーへの移行を加速するエネルギー貯蔵技術も進歩する可能性がある。
Batteries lose capacity over time, which is why older cellphones run out of power more quickly. This common phenomenon, however, is not completely understood. Now, an international team of researchers has revealed the underlying mechanism behind such battery degradation.
バッテリーは時間の経過とともに容量が減少するため、古い携帯電話はすぐに電力が切れてしまいます。しかし、この一般的な現象は完全には理解されていません。今回、国際研究チームが、このようなバッテリー劣化の背後にある根本的なメカニズムを明らかにしました。
Their discovery is published Sept. 12 in the journal Science.
彼らの発見は、9月12日付けのサイエンス誌に掲載される。
“We are helping to advance lithium-ion batteries by figuring out the molecular level processes involved in their degradation,” said Michael Toney, the paper’s corresponding author and a professor in the Department of Chemical and Biological Engineering. “Having a better battery is very important in shifting our energy infrastructure away from fossil fuels to more renewable energy sources.”
「私たちはリチウムイオン電池の劣化に関わる分子レベルのプロセスを解明することで、リチウムイオン電池の進歩に貢献しています」と論文の責任著者で化学生物工学部教授のマイケル・トニー氏は述べた。 「エネルギーインフラを化石燃料からより再生可能なエネルギー源に移行させるには、より優れたバッテリーを搭載することが非常に重要です。」
Engineers have been working for years on designing lithium-ion batteries—the most common type of rechargeable batteries—without cobalt. Cobalt is an expensive rare mineral, and its mining process has been linked to grave environmental and human rights concerns. In the Democratic Republic of Congo, which supplies more than half of the world’s cobalt, many miners are children.
エンジニアたちは、コバルトを使用しない、最も一般的なタイプの充電式電池であるリチウムイオン電池の設計に長年取り組んできました。コバルトは高価な希少鉱物であり、その採掘プロセスは深刻な環境問題や人権問題と関連しています。世界のコバルトの半分以上を供給するコンゴ民主共和国では、鉱山労働者の多くは子供たちだ。
So far, scientists have tried to use other elements such as nickel and magnesium to replace cobalt in lithium-ion batteries. But these batteries have even higher rates of self-discharge, which is when the battery’s internal chemical reactions reduce stored energy and degrade its capacity over time. Because of self-discharge, most EV batteries have a lifespan of seven to 10 years before they need to be replaced.
これまで科学者らは、リチウムイオン電池のコバルトの代わりにニッケルやマグネシウムなどの他の元素を使用しようと試みてきた。しかし、これらのバッテリーは自己放電率がさらに高く、バッテリーの内部化学反応により蓄積エネルギーが減少し、時間の経過とともに容量が低下します。自己放電のため、ほとんどの EV バッテリーの寿命は 7 ~ 10 年で、交換が必要になります。
Toney, who is also a fellow of the Renewable and Sustainable Energy Institute, and his team set out to investigate the cause of self-discharge. In a typical lithium-ion battery, lithium ions, which carry charges, move from one side of the battery, called the anode, to the other side, called the cathode, through a medium called an electrolyte. During this process, the flow of these charged ions forms an electric current that powers electronic devices.
再生可能持続可能エネルギー研究所のフェローでもあるトニー氏と彼のチームは、自己放電の原因の調査に着手しました。一般的なリチウムイオン電池では、電荷を運ぶリチウムイオンが、電解質と呼ばれる媒体を通って、電池の一方の側(アノードと呼ばれる)からもう一方の側(カソードと呼ばれる)に移動します。このプロセス中に、これらの荷電イオンの流れによって電流が形成され、電子デバイスに電力が供給されます。
Charging the battery reverses the flow of the charged ions and returns them to the anode.
バッテリーを充電すると、帯電したイオンの流れが逆になり、陽極に戻ります。
Previously, scientists thought batteries self-discharge because not all lithium ions return to the anode when charging, reducing the number of charged ions available to form the current and provide power.
以前、科学者たちは、充電時にすべてのリチウムイオンがアノードに戻るわけではなく、電流を形成して電力を供給するために利用できる荷電イオンの数が減少するため、バッテリーが自己放電すると考えていました。
Using the Advanced Photon Source, a powerful X-ray machine, at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois, the research team discovered that hydrogen molecules from the battery’s electrolyte would move to cathode and take the spots that lithium ions normally bind to. As a result, lithium ions have fewer places to bind to on the cathode, weakening the electric current and decreasing the battery’s capacity.
研究チームは、イリノイ州にある米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所にある強力な X 線装置であるアドバンスト フォトン ソースを使用して、バッテリーの電解質からの水素分子がカソードに移動し、リチウム イオンが通常結合するスポットを奪うことを発見しました。 。その結果、正極でリチウムイオンが結合する場所が減り、電流が弱まり、バッテリーの容量が減少します。
“This study provides critical insights into the self-discharge behavior of layered cathode materials in lithium-ion batteries and paves the way for the rational design of high-performance and long-lasting batteries for a wide range of applications, including electric vehicles and grid energy storage,” said Argonne scientist Jun-Sang Park, a co-author of the new study.
「この研究は、リチウムイオン電池の層状正極材料の自己放電挙動に関する重要な洞察を提供し、電気自動車や電力網を含む幅広い用途向けの高性能で長持ちする電池の合理的な設計への道を開くものです」エネルギー貯蔵です」と、新しい研究の共著者であるアルゴンヌの科学者、ジュンサン・パーク氏は述べた。
Transportation is the single largest source of greenhouse gases generated in the U.S, accounting for 28% of the country’s emissions in 2021. In an effort to reduce emissions, many automakers have committed to moving away from developing gasoline cars to produce more EVs instead. But EV manufacturers face a host of challenges, including limited driving range, higher production costs and shorter battery lifespan than conventional vehicles. In the U.S. market, a typical all-electric car can run about 250 miles in a single charge, about 60% that of a gasoline car.
交通機関は米国で発生する温室効果ガスの唯一最大の発生源であり、2021年には同国の排出量の28%を占めている。排出量削減の取り組みとして、多くの自動車メーカーはガソリン車の開発から離れ、代わりにEVの生産を増やすことに取り組んでいる。しかしEVメーカーは、航続距離の制限、生産コストの上昇、従来の車両に比べてバッテリー寿命が短いなど、多くの課題に直面している。米国市場では、一般的な完全電気自動車は 1 回の充電で約 250 マイル走行でき、これはガソリン車の約 60% です。
The new study has the potential to address all of these issues, Toney said.
新しい研究はこれらすべての問題に対処する可能性があるとトニー氏は述べた。
“All consumers want cars with a large driving range. Some of these low cobalt-containing batteries can potentially provide a higher driving range, but we also need to make sure they don’t fall apart in a short period of time,” he said, noting that reducing cobalt can also reduce costs and address human rights and energy justice concerns.
「すべての消費者は航続距離の長い車を望んでいます。これらのコバルト含有量の少ないバッテリーの一部は、より長い航続距離を提供できる可能性がありますが、それらが短期間で壊れないようにする必要もあります」と同氏は述べ、コバルトを削減することでコストも削減でき、問題を解決できると指摘した。人権とエネルギー正義への懸念。
With a better understanding of the self-discharge mechanism, engineers can explore a few ways to prevent the process, such as coating the cathode with a special material to block hydrogen molecules or using a different electrolyte.
自己放電メカニズムをより深く理解することで、エンジニアは、水素分子をブロックする特殊な材料でカソードをコーティングしたり、別の電解質を使用したりするなど、プロセスを防止するいくつかの方法を検討できます。
“Now that we understand what is causing batteries to degrade, we can inform the battery chemistry community on what needs to be improved when designing in batteries,” Toney said.
「バッテリーの劣化の原因がわかったので、バッテリーの設計時に何を改善する必要があるかをバッテリー化学コミュニティに知らせることができます」とトニー氏は述べています。
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