グラフェンとバッテリー

バッテリー技術は急速に進化しており、数十もの競合する代替化学物質がリチウムイオンバッテリーの優位性に挑戦しています。

Graphene is a promising material for use in batteries due to its high electrical conductivity and thermal conductivity. A recent discovery by researchers at Swansea University, in collaboration with Wuhan University of Technology and Shenzhen University, could pave the way for the use of graphene in lithium-ion batteries, helping to keep them as the dominant battery technology over alternative chemistries, including graphene-based batteries.

グラフェンは、その高い電気伝導性と熱伝導性により、電池での使用に有望な材料です。スウォンジー大学の研究者らが武漢理工大学および深セン大学と協力して行った最近の発見は、リチウムイオン電池でのグラフェンの使用への道を切り開き、グラフェンを含む代替化学物質よりも有力な電池技術としてリチウムイオン電池を維持するのに役立つ可能性がある。 -ベースのバッテリー。

The researchers' publication in Nature Chemical Engineering details the first successful protocol for fabricating defect-free graphene foils on a commercial scale. The method can be used to create graphene foils in lengths ranging from meters to kilometers. In a laboratory setting not designed for mass production, they managed to create a 200-meter-long graphene foil with a thickness of 17 micrometers. The foil is also highly resistant and was demonstrated to retain high electrical conductivity even after being bent over 100,000 times, making it suitable for use in flexible electronics, industrial manufacturing, and other applications where the graphene is used to deploy powerful currents.

Nature Chemical Engineering に掲載された研究者らの論文では、商業規模で欠陥のないグラフェン箔を製造するための最初の成功したプロトコルが詳しく説明されています。この方法を使用すると、メートルからキロメートルまでの長さのグラフェン箔を作成できます。大量生産向けに設計されていない実験室環境で、彼らは長さ 200 メートル、厚さ 17 マイクロメートルのグラフェン フォイルを作成することに成功しました。このフォイルは耐久性も高く、100,000回以上曲げられた後でも高い導電性を維持することが実証されており、フレキシブルエレクトロニクス、工業製造、および強力な電流を流すためにグラフェンが使用されるその他の用途での使用に適しています。

The application that the researchers focused on in their study is the use of the graphene foil as a current collector in lithium-ion batteries. Lithium-ion batteries are vulnerable to a key risk, called thermal runaway, which happens when excessive heat accumulates in a part of the battery, leading to battery failure with dangerous fires or explosions. This issue is one of the key reasons many researchers and battery companies are looking beyond lithium-ion with alternative chemistries like sodium-ion. Many alternative solutions are being explored, for example, gel electrolytes.

研究者らが研究で焦点を当てた応用は、リチウムイオン電池の集電体としてのグラフェン箔の使用である。リチウムイオンバッテリーは、熱暴走と呼ばれる重要なリスクに対して脆弱です。熱暴走は、バッテリーの一部に過度の熱が蓄積すると発生し、危険な火災や爆発を伴うバッテリー故障につながります。この問題は、多くの研究者や電池会社がリチウムイオンを超えてナトリウムイオンなどの代替化学物質に注目している主な理由の 1 つです。ゲル電解質など、多くの代替ソリューションが検討されています。

Thermal runaway mostly happens at the battery's current collectors, where the most power is concentrated. In current lithium-ion batteries, current collectors are usually made of aluminum or copper. The graphene current collectors developed by the research with their graphene foil can display a thermal conductivity as high as 1,400.8 W m−1 K−1. For reference, this is almost 10x higher than copper and aluminum-based current collectors.

熱暴走は主に、電力が最も集中するバッテリーの集電体で発生します。現在のリチウムイオン電池では、集電体は通常アルミニウムまたは銅でできています。研究によって開発されたグラフェン箔を使用したグラフェン集電体は、1,400.8 W m-1 K-1 もの高い熱伝導率を示すことができます。参考までに、これは銅およびアルミニウムベースの集電装置よりもほぼ 10 倍高いです。

Because the graphene foil shows a very fast heat dissipation, it eliminates the risk of local heat concentration when the current is flowing. In turn, this removes the risks of aluminothermic and hydrogen-evolution reactions which are the critical steps leading to propagation of the battery failure and fire hazard.

グラフェンフォイルは非常に速い熱放散を示すため、電流が流れているときに局所的に熱が集中するリスクが排除されます。これにより、バッテリーの故障や火災の危険の伝播につながる重要なステップであるアルミノテルミック反応や水素発生反応のリスクが排除されます。

“Our dense, aligned graphene structure provides a robust barrier against the formation of flammable gases and prevents oxygen from permeating the battery cells, which is crucial for avoiding catastrophic failures,”

「当社の高密度で整列したグラフェン構造は、可燃性ガスの生成に対する堅牢なバリアを提供し、電池セルへの酸素の浸透を防ぎます。これは致命的な故障を回避するために重要です。」

Dr Jinlong Yang, co-lead author

Jinlong Yang 博士、共同主著者

Maybe more importantly, the method is already proven to be deployable with mass manufacturing of the graphene foil. So it could be quickly integrated into existing battery manufacturing processes.

おそらくもっと重要なことは、この方法がグラフェンフォイルの大量生産に導入可能であることがすでに証明されていることです。そのため、既存の電池製造プロセスにすぐに組み込むことができます。

“This is a significant step forward for battery technology. Our method allows for the production of graphene current collectors at a scale and quality that can be readily integrated into commercial battery manufacturing. This not only improves battery safety by efficiently managing heat but also enhances energy density and longevity.”

「これはバッテリー技術にとって重要な前進です。当社の方法により、商用電池の製造に容易に組み込むことができる規模と品質でグラフェン集電体の製造が可能になります。これにより、熱を効率的に管理することでバッテリーの安全性が向上するだけでなく、エネルギー密度と寿命も向上します。」

Dr Rui Tan, co-lead author

Rui Tan 博士、共同主著者

The researchers are already looking at ways to reduce the thickness of the graphene foils and further enhance their mechanical properties. They are also looking at how the graphene foil could help design better flow batteries and sodium-ion batteries, in collaboration with another research team at Swansea University, under Pr. Serena Margodonna’s leadership.

研究者らはすでにグラフェンフォイルの厚さを減らし、その機械的特性をさらに高める方法を検討している。彼らはまた、スウォンジー大学の別の研究チームと共同で、グラフェン箔がより優れたフロー電池やナトリウムイオン電池の設計にどのように役立つかについても検討している。セリーナ・マルゴドンナのリーダーシップ。

We previously discussed honeycomb lithium-ion batteries that remove the risk of battery failure from dendrite growth. If thermal runaway also can be suppressed thanks to graphene foil, this could make lithium-ion batteries much more safe and durable than the current version.

以前、樹枝状結晶の成長による電池故障のリスクを排除するハニカム型リチウムイオン電池について説明しました。グラフェン箔のおかげで熱暴走も抑制できれば、リチウムイオン電池の安全性と耐久性が現行バージョンよりもはるかに高くなる可能性がある。

This overall follows the pattern of most innovations in one niche of battery technology to be usable in other designs, helping feed the quick progress of the industry.

これは全体として、バッテリー技術の 1 つのニッチ領域におけるほとんどのイノベーションのパターンを踏襲しており、他の設計でも使用できるため、業界の急速な進歩に貢献しています。

(You can also learn more about battery technology in our articles “The Future of Mobility – Battery Tech” and “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

(バッテリー技術については、「モビリティの未来 - バッテリー技術」および「エネルギー貯蔵の未来 - 実用規模のバッテリー技術」の記事でも詳しく学ぶことができます。)