新しい分子レベルのバッテリー技術がストレージを変える可能性がある

イリノイ大学の革新的な研究チームは、エネルギー貯蔵ソリューションを再考しています。彼らの新しく発表された研究では、電気二重層（EDL）を操作することで、電気化学プロセスを強化し、パフォーマンスを向上させ、より堅牢なエネルギー貯蔵ソリューションを作成する方法について説明しています。

この研究では、EDLがどのように形成され、協力し、そしてどのように変更して独自の利点を生み出すことができるかについて説明しています。したがって、彼らの研究は、将来のバッテリー技術に大きな影響を与える可能性があります。以下は、知っておくべきことです。

より良いバッテリーが登場する

世界は、日々使用する携帯型、高性能デバイスの数が増えるにつれて、より良いバッテリーを作成するために努力しています。1990年代初頭には、携帯電話を持っている人もいたかもしれません。これらのデバイスは、音声とテキストサービスに限定されていましたが、バッテリー技術の進歩につながりました。

今日、スマートフォン、ウェアラブル、タブレット、携帯コンピューター、またはその他の高性能デバイスを複数持っている人は珍しくありません。これらのデバイスのほとんどは、他のオプションに比べて高い電力密度と長いライフサイクルを持つため、リチウムイオンバッテリーに依存しています。

リチウムイオンバッテリーは、現在使用されている最も人気のある携帯型ストレージの種類です。ただし、多くの限界と問題があり、研究者がより優れた代替品を追求するよう駆り立てています。したがって、研究者と投資家は、より先進的で効率的なエネルギー貯蔵ソリューションを作成するために数十億ドルを投入しています。この最新の発見は、さまざまな電気化学オプション全体でより優れたバッテリーを作成するための新しい方法を紹介しています。

電気二重層

研究者の研究の重要性を理解するには、EDLとは何か、それらが電気化学プロセス such as エネルギー消費と貯蔵機能にどのように影響するかを最初に理解する必要があります。注目すべきは、EDLの概念は新しいものではないということです。

これらの見えない電子は、1850年代にヘルマン・フォン・ヘルムホルツによって最初に発見されました。当時、彼は、特定の固体と液体の界面でのみ存在する電気的電荷の空間分布があることを観察しました。

Source – Oxford

興味深いことに、EDLは固体-液体界面で自然にナノメートル厚の層に組織化されます。彼らの厚さは、デバイ長に基づいて0.1から10nmの範囲になります。デバイ長は、溶液中の電荷キャリアの純粋な静電的な効果の尺度です。これは、エンジニアが静電的な効果の範囲を確認するために使用する貴重なツールです。

EDLが現在の世代を支援する方法

EDLは、バッテリーの2つの端子間の電圧差をもたらす、バッテリーの重要な電気的不均衡を維持するのに役立ちます。さらに、EDLの電解質でのパフォーマンスは、イオン輸送、電荷貯蔵、安定性などのバッテリーの重要な側面に影響を与えます。

EDLの現在の問題

EDLの最も重大な問題の1つは、単純に理解不足です。科学者はEDLの核形成と成長についての洞察を持っていませんでした。核形成とは、層の形成の開始を指します。したがって、エネルギー輸送と貯蔵を改善するために、この常に存在する電解質現象を利用する方法はありませんでした。

ブレイクスルーEDLバッテリー研究の内部

幸いなことに、イリノイ大学のエンジニアは、最近発表された研究¹「固体-液体界面での核形成は電気二重層の再構成に伴う」を通じて、この謎を解明することができました。

この論文は、分子レベルでのEDLの構造と進化を調査するために、最先端の技術を使用した最初のものです。これは、実時間に表面クラスターを囲む非均質なEDLの分子構造を初めて記録したものです。エンジニアは、3D原子力顕微鏡を使用してこのタスクを実行しました。

3D原子力顕微鏡

この場合、エンジニアは3D原子力顕微鏡を使用して、固体-液体界面での分子構造の形成と動きを捉えました。彼らは、EDLの形成がバッテリーの充電時に作成された初期形成に基づいていることを観察しました。

注目すべきは、チームが3D原子力顕微鏡の改良された形式を使用したことです。これにより、エンジニアは3次元全体で原子レベルの変更を捉えることができました。3D原子力顕微鏡法は、エンジニアが複雑なナノ構造を調査する必要がある場合に最適です。さらに、次世代の半導体製造を推進する上で重要な役割を果たしています。

EDLの一次応答

チームは、EDLが化学的堆積によって固体表面に基づいて自己組織化する方法を文書化しました。さらに、表面の不規則性がこれらの形成を変更し、3つの主要な応答 – 曲げ、破壊、または再接続 – を可能にすることができることを発見しました。

曲げシナリオでは、EDLは初期クラスターを形成し始めます。このシナリオは、EDLが分離して異なる中間層を形成する破壊アクションとは異なります。最後に、再接続シナリオは分離された層が結合することになります。

汎用的なアプローチ

チームは、彼らの戦略がすべての電気化学プロセス全体でEDLを改善するための汎用的なアプローチとして機能する可能性があると指摘しました。彼らはまた、EDLのパフォーマンスは、特定の化学よりも液体分子の有限サイズに関係していることを述べました。

新しいEDLバッテリー設計のテスト

彼らの理論をテストするために、チームは目的の電気化学3D原子力顕微鏡方法を作成しました。アップグレードされたシステムにより、チームはグラファイトバッテリーのアノードシステム上のイオン液体/グラファイトバッテリーのEDLの構造を形成から監視することができました。

この高度なアプローチにより、研究者にいくつかの大きな利点がもたらされました。たとえば、空間密度プロファイルを数量化することができました。また、新しい方法により、EDLの成長キネティクスとさまざまな要因（化学的およびノード材料の変更など）がパフォーマンスに与える影響について、より深い洞察が得られました。

EDL研究の結果

テストの結果は、エンジニアがEDLの初期段階の表面核形成を操作して独自のアクションを作成するという仮説が正しかったことを示しました。彼らは、明瞭な再構成などの重要なアクションを開始することができました。

3D顕微鏡アプローチにより、チームは、曲げ、破壊、または再接続のパターンが、ローカル相互作用クラスターのサイズが変化するときに切り替わり、核形成と成長中に普遍的であることを実現することができました。これらの発見は、将来のバッテリー開発を推進する可能性があります。

EDL最適化の利点

この研究は市場にいくつかの利点をもたらします。たとえば、エンジニアが分子レベルでバッテリーをより効率的に設計するための重要な詳細をよりよく理解するのに役立ちます。このデータは、エンジニアが将来より効率的なバッテリーを作成するのに役立ちます。

より小さなデバイス

この研究のもう一つの重要な側面は、バッテリー設計者がより小さなストレージデバイスを作成するのに役立つことです。これらのユニットは、微小電子機器が日常生活の重要な側面となるにつれて、ますます重要になります。将来、この技術がペースメーカーやその他のウェアラブルデバイスが動作し続けることを保証するのに役立つ可能性があります。

簡単に統合可能なテクノロジー

この研究から得られた知識は、ほとんどの電気化学バッテリー設計に簡単に統合できます。この発見の普遍的な性質は、バッテリーの効率だけではなく、多くのことを改善するのに役立つことを意味します。

実際のアプリケーションとタイムライン:

このデータの「Rethinking Storage Devices」研究には、より効率的なバッテリーを使用してより良い製品を作成し、必要に応じて追加のサービスを提供するための多くのアプリケーションがあります。これらは、このテクノロジーの主なアプリケーションです。

EV

電気自動車は、動作するために強力なバッテリーに依存する急成長しているセクターです。これらの企業はバッテリー技術に大量の投資を行っており、多くの企業はリチウムイオンの代替品を作成しようとしています。現在、これらの企業はパフォーマンスを向上させるために現在のバッテリー設定を改良しようとします。

ヘルスケア

バッテリーは、誰かの治療の重要な部分となる可能性のあるヘルスケアにおいて重要な役割を果たします。患者を監視するためのウェアラブルから、完全なロボット肢まで、これらのデバイスを動作させるのに役立つバッテリー技術です。

スマートシティ

世界中のスマートシティの出現により、エネルギー需要が増加します。EDLの再構成研究による改善は、これらのデバイスを大きな電力バンクとして設定することで、スマートシティを動作させるのがより簡単になる可能性があります。

再生可能エネルギー

バッテリーは、今日の緑のエネルギー代替案の重要なコンポーネントです。太陽光と風力は多くのエネルギーを生成できますが、使用されていない電力を貯蔵する場所が必要です。現在のバッテリー解決策は、EDLを改善し、太陽光と風力の農場のための大量の貯蔵ソリューションを作成することで、大幅な改善が見込めます。

航空宇宙

将来の飛行は電気で動くようです。したがって、複数の企業がすでに電気式航空機を生産しています。現在、この分野での主な制限要因は、バッテリーの重量と電力の比率でした。この発見は、この制限を克服し、バッテリー式航空宇宙経済の革新を推進するのに役立つ可能性があります。

エネルギー貯蔵の再考のタイムライン

この研究の性質を考慮すると、この技術が市場に登場するまでに約5年かかる可能性が高いと推定されます。研究者は、製品を市場に導入するためにバッテリー製造業者と提携する必要があります。このステップには、少なくとも数年かかります。

エネルギー貯蔵の再考の研究者

イリノイ大学のグレインジャー工学大学が「エネルギー貯蔵の再考」研究を主催しました。論文では、Yingjie Zhangをリード研究者、Shan Zhouをリード著者として挙げています。論文には、Qian Ai、Lalith Krishna Samanth Bonagiri、Kaustubh S. Panse、Jaehyeon Kimの作品も含まれています。さらに、グループは、空軍科学研究事務局から資金提供を受けました。

エネルギー貯蔵の再考の未来

この技術の将来は、幅広い電気化学関連分野への応用があるため、明るいものです。エンジニアは、固体電解質でのEDLの動作をさらに最適化する方法を調査します。さらに、製造パートナーシップと将来の応用について探求します。

エネルギー貯蔵への投資

バッテリー市場は、経済の急成長しているセクターです。バッテリー製造業者と研究者は、今日の電子機器が支配する社会にとって不可欠です。したがって、複数の企業がこの市場でのトップスポットを争っています。以下は、バッテリー市場における革新的な強者である企業の1つです。

EnerSys

EnerSys (ENS )は2000年に市場に登場しました。これは、Yuasa CorporationとGS Batteryの合併の結果でした。2社は力を合わせ、2001年にEnerSysという名前を採用して、バッテリー市場での主要プレーヤーになることを目指しました。注目すべきは、2004年にNYSEに上場したことです。

EnerSysは、テレコミュニケーション、航空宇宙、国防、輸送、データセンター、無停電電源装置などのニーズに対応したカスタムバッテリーを含む、幅広い製品を提供しています。注目すべきは、同社の製品が、採掘ツール、電気フォークリフト、またはその他の電気自動車などの重要な産業用機器で使用されていることです。