ガラス電池
Type of solid-state electric battery

ガラス電池は固体電池の一種で、ガラス 電解質とリチウムまたはナトリウム金属電極を使用します。[1] [2] [3] [4]

開発の歴史

2009年に日本電気硝子と岩手大学は、厚さ30マイクロメートル（μm）の超薄ガラス基板上に初めて薄膜リチウムイオン電池を開発しました。 [5]

2016年、リチウムイオン電池（Li-ion）に用いられるコバルト酸リチウムとリン酸鉄リチウムの電極材料を発明したジョン・B・グッドイナフ氏と、ポルト大学准教授[6]でテキサス大学コックレル工学部の上級研究員であるマリア・H・ブラガ氏によってガラス電池が開発されました。[1]この電池に関する論文は、2016年12月にEnergy & Environmental Science誌に掲載されました。 [7]

それ以来、多くの続編が発表されている。[8] ハイドロ・ケベック社は、このバッテリーの生産可能性について研究を行っている。[9]

ガラス電解質の研究

2016年9月、アイオワ州立大学は、新しいリチウムイオン伝導性ガラス状固体電解質の開発のために160万ドルの助成金を受けた。[10] 2019年8月、GMは米国エネルギー省から「固体電池における界面現象の基礎的理解」と「硫化物ガラス電解質を用いた強化型全固体電池のホットプレス」に関する研究のために200万ドルの助成金を受けたと発表された。[11]

2023年に日本電気硝子はガラスセラミック固体電解質を用いた世界初のガラスセラミック固体ナトリウムイオン電池を開発した。[5]

懐疑論と懐疑論への反応

2016年12月の最初の発表は、電池技術の他の研究者からかなりの懐疑的な反応を招き、純粋な金属リチウムまたはナトリウムが両電極に存在する場合、電気化学電位に差が生じず、したがってセル電圧が生じないはずなのに、どのようにして電池電圧が得られるのか不明であると指摘する研究者もいた。[3]したがって、電池によって蓄積または放出されるエネルギーは、熱力学第一法則に違反することになる。しかし、グッドイナフ氏の高い評価は、最も強い批判を抑止するのに十分であり、プリンストン大学のダニエル・スタインガート氏は、「グッドイナフ氏以外の誰かがこれを発表したら、私は、まあ、丁寧な言葉を見つけるのは難しいでしょう」とコメントした。[3]正式なコメントは、カーネギーメロン大学のスタインガート氏とベンカット・ヴィスワナサン氏によってエネルギーと環境科学誌に掲載された。[12]

グッドイナフは懐疑的な意見に対し、「答えは、カソード集電体にめっきされたリチウムが集電体との反応でフェルミエネルギーが集電体のフェルミエネルギーまで低下するほど薄い場合、リチウムアノードのフェルミエネルギーはカソード集電体にめっきされた薄いリチウムのフェルミエネルギーよりも高くなるということです」と述べた。グッドイナフは後にスラッシュドットとのインタビューで、カソードにめっきされたリチウムは「1ミクロン程度の厚さ」であると述べた。[13]

グッドイナフの回答は、ダニエル・スタインガートとウプサラ大学のマシュー・レイシーからさらなる懐疑を招いた。彼らは、この低電位析出効果は物質の極めて薄い層（単層）でのみ知られていると指摘している。 [14] [15]レイシーはまた、元の出版物ではカソード上にめっきされるリチウムの厚さの制限については言及されておらず、むしろその逆、すなわちセルの容量は「アノードとして使用されるアルカリ金属の量によって決まる」と述べられていることにも言及している。[7]

建設と電気化学

原著論文[7]で報告されているように、この電池はアルカリ金属（リチウムまたはナトリウム箔）を負極（アノード）として、炭素と酸化還元活性成分の混合物を正極（カソード）として用いて構成されている。カソード混合物は銅箔上に塗布される。酸化還元活性成分は硫黄、フェロセン、または二酸化マンガンのいずれかである。電解質は水酸化リチウムと塩化リチウムから作られ、バリウムが添加された高導電性 ガラスであり、金属デンドライトを形成せずに電池を急速充電することができる。[2]

この論文によると、電池は放電時にアルカリ金属を陽極から剥離し、陰極に再析出させることで動作し、電池電圧は酸化還元活性成分によって決定され、電池容量はアルカリ金属陽極の量によって決定される。この動作メカニズムは、従来のほとんどのリチウムイオン電池材料の 挿入（インターカレーション）メカニズムとは根本的に異なる。

2018年に、アメリカ化学会誌で、同じ著者のほとんどによって新しいバージョンが説明されました。これは、異なる材料が異なる速度で膨張することで界面の亀裂を防ぐため、カソードを特殊な可塑剤溶液でコーティングするというものです。ブラガは、この新しいバッテリーは従来のリチウムイオンバッテリーの2倍のエネルギー密度を持ち、23,000回の再充電が可能だと語っています。[16] [17] [18]批評家は、この論文でいくつかの並外れた主張を指摘しました。たとえば、記録的な高比誘電率（おそらく記録されたどの材料よりも高い）、他のすべてのバッテリー技術で通常の場合のように減少するのではなく、多くの充電サイクルでバッテリーの静電容量が増加するなどです。[18] [17]この論文では、バッテリーがプラグを抜いた後も電荷を保持できるかどうかも明らかにされていませんでした。これが本当に新しいバッテリー技術なのか、それとも単なるコンデンサなのかが明らかになるはずです。[18]ブラガ氏は批判に対し、「データはデータであり、4つの異なる機器、異なる研究室、グローブボックスなど、多くの異なるセルから同様のデータを得ています。そして結局のところ、LEDは23,000回以上のサイクルを経て、非常に少量の活性物質で数日間点灯します」と反論した。[18] [17]

リチウムイオン電池との比較

ブラガとグッドイナフは、この電池は現在のリチウムイオン電池より何倍も高いエネルギー密度と、現在の固体電池よりはるかに低い−20℃（−4℉）までの動作温度範囲を持つと予想していると述べた。[1] [3] [7]また、電解質は広い電気化学的窓を持つとされている。[19]この電池の設計は、可燃性の液体電解質の使用を避けているため、リチウムイオン電池よりも安全である。[2]この電池は、リチウムの代わりに低コストのナトリウムを使って作ることもできる。[2]

著者らは、このバッテリーの充電時間はリチウムイオンバッテリーよりもはるかに短く、数時間ではなく数分で済むと主張している。また、低セル抵抗で1,200回の充電サイクルにわたってアルカリ金属/電解質界面の安定性を試験したと述べている[1]。リチウムイオンバッテリーの仕様は通常1,000回未満である[20] [21]。

参照

参考文献

  1. ^ abcd 「リチウムイオン電池の発明者が、急速充電・不燃性電池の新技術を発表」テキサス大学ニュース、2017年2月28日。 2017年3月22日閲覧。
  2. ^ abcd Morris, David (2017年3月6日). 「リチウムイオンのパイオニア、3倍優れた新型バッテリーを発表」. Fortune . 2017年3月23日閲覧。
  3. ^ abcd LeVene, Steve (2017年3月20日). 「リチウム電池の天才ジョン・グッドイナフがまたやったのか？同僚は懐疑的だ」Quartz . 2017年3月21日閲覧。
  4. ^ Tirone, Johnathan (2017年3月15日). 「Googleのシュミット氏、新型グッドイナフバッテリーに期待」ブルームバーグニュース. ブルームバーグ. 2017年3月21日閲覧。
  5. ^ ab "History".日本電気硝子(NEG) . 2025年8月27日閲覧。
  6. ^ 「FEUP - ヘレナ・ブラガ」.
  7. ^ abcd Braga, MH; Grundish, NS; Murchison, AJ; Goodenough, JB (2016年12月9日). 「安全な充電式バッテリーのための代替戦略」. Energy & Environmental Science . 10 : 331–336 . doi : 10.1039/C6EE02888H .
  8. ^ Sakai, M. (2023). 「ブラガ・グッドイナフNaフェロセンおよびLi-MnO2充電式電池の正極反応モデル」. J​​ournal of Electrochemical Science and Engineering . 13 (4): 687– 711. doi : 10.5599/jese.1704 .
  9. ^ 「Full Page Reload」. IEEE Spectrum: テクノロジー、エンジニアリング、科学ニュース. 2020年2月24日. 2020年3月6日閲覧。
  10. ^ 「強力で高いLi+イオン伝導性、Li不透過性の薄リボンガラス状固体電解質」高等研究計画局 - エネルギー省2016年9月13日。2017年4月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  11. ^ Szymkowski, Sean. 「米国、ゼネラルモーターズに固体電池研究のための200万ドルを授与」Roadshow . 2019年8月18日閲覧。
  12. ^ Steingart, Daniel A.; Viswanathan, Venkatasubramanian (2018年1月17日). 「MH Braga, NS Grundish, AJ Murchison, JB Goodenough共著『安全な充電式バッテリーのための代替戦略』に関するコメント」（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 331–336）. Energy & Environmental Science . 11 (1): 221– 222. doi :10.1039/C7EE01318C. ISSN  1754-5706.
  13. ^ 「リチウムイオン電池発明者ジョン・B・グッドイナフ氏へのスラッシュドットインタビュー - スラッシュドット」hardware.slashdot.org 2017年4月19日. 2017年6月21日閲覧。
  14. ^ Steingart, Dan (2017年3月4日). 「Redox without Redox」. the unfortunate tetrahedron . 2017年6月21日閲覧。
  15. ^ 「『グッドイナフ・バッテリー』をめぐる懐疑論について · マット・レイシー」lacey.se 2017年3月28日2017年6月21日閲覧。
  16. ^ Braga, Maria Helena; M Subramaniyam, Chandrasekar; Murchison, Andrew J.; Goodenough, John B. (2018年4月24日). 「長寿命で安全な非伝統的高電圧充電式電池」. Journal of the American Chemical Society . 140 (20): 6343– 6352. doi :10.1021/jacs.8b02322. PMID  29688709. S2CID  13660262.
  17. ^ abc 「固体リチウムイオン電池 — ジョン・グッドイナフはついにそれを成し遂げたのか？」CleanTechnica 2018年6月26日. 2018年12月6日閲覧。
  18. ^ abcd LeVine, Steve (2018年6月3日). 「バッテリーのパイオニアが驚くべき新たなブレークスルーを発表」Axios . 2018年12月6日閲覧。
  19. ^ Braga, MH; Ferreira, JA; Stockhausen, V.; Oliveira, JE; El-Azab, A. (2014年3月18日). 「リチウム電池向け超イオン特性を有する新規Li3ClO系ガラス」. Journal of Materials Chemistry A. 2 ( 15): 5470– 5480. doi :10.1039/c3ta15087a. hdl : 10400.9/2664 . ISSN  2050-7496.
  20. ^ Tim De Chant、「超安全なガラスバッテリーは数時間ではなく数分で充電」、NovaNext、2017年3月17日。
  21. ^ マーク・アンダーソン、「新しいガラス電池は石油の終焉を加速させるか？」IEEE Spectrum、2017年3月3日
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