より良いバッテリーを構築する

Jul 08, 2023

科学者は、リチウムイオン電池が携帯電話、デバイス、車、つまり私たちの生活に電力を供給するためのエネルギーを放出する理由を知っています。 イオンと呼​​ばれる帯電したリチウム原子が液体電解質を通ってグラファイトの層に移動し、電子が流れてデバイスに電力を供給します。 このプロセスはインターカレーションと呼ばれます。

しかし、科学者たちはそのプロセスについてあまり理解していないと、芸術科学大学化学部門の准教授スコット・ウォーレン氏は言う。 「リチウムはどのようにして黒鉛に出入りするのでしょうか。 どのように充電されますか。 どうやって放電するんですか？」

ノースカロライナ州フェイエットビル出身の化学専攻ジュニア、ミゲル・レイナがウォーレンの研究室で探しているのは、これらの質問に対する答えだ。 夏季学部研究フェローシップ賞として 5,000 ドルがレイナの研究を支援します。

レイナは複数の色を生成するインターカレーションに注目しています。 「赤、オレンジ、黄、青、紫――その変化のそれぞれの段階に応じた色です」とウォーレン氏は語った。 「これらの段階は完全には特徴づけられていません。 それぞれの段階で何が起こっているのでしょうか？」

レイナは、段階を一貫して再現し、分析することで、研究者の電池に対する理解を深め、電池の改善に役立てたいと考えています。 1 つの目標は、より多くのリチウムをバッテリーに蓄えてエネルギーを増やし、バッテリーをより長く充電することです。

「それはファイルキャビネットの引き出しを最大限に活用しようとするようなものです。 リチウムは紙です。 引き出しがフォルダーでいっぱいで、何枚の紙を入れてもまだ使えるか疑問に思っています」とレイナさんは言いました。

ウォーレン氏は、電圧や電力を上げるために同じ空間に大量のリチウムを詰め込みすぎると、バッテリーが膨張したり、漏れたり、亀裂が入ったり、望ましくない化学反応が起きたりする可能性があると述べた。

レイナは、プラスとマイナスの 2 つの電極を備えた家庭用電池の構造に基づいたデバイスを構築することから実験を始めます。 スポンジが水を吸収し、絞ると放出されるように、充放電中にリチウムイオンを貯蔵および放出します。 電解質は、通常、溶解したリチウム塩を含む液体であり、電極間を伝導またはリチウムイオンが流れることを可能にし、電気エネルギーを蓄積および生成します。

実験室用ガラススライドが装置の基礎です。 レイナはスパッタリング装置を使用して、シャボン玉のように薄いチタンの光沢のある層でスライドをコーティングします。 彼はテフロン フレーム (小型の長方形の窓枠を思い浮かべてください) をエポキシでスライドに接着します。 彼は長いピンセットを使って、髪の毛ほどの薄さのグラファイトの層をフレームの内側に置き、電圧計を適用して電気が流れることを確認します。

3 日かけてエポキシが固まると、酸素のないグローブ ボックスと呼ばれる作業スペースに移動します。 レイナはエア ロックを通してデバイスをボックスに置き、スライドを保持するためにボックスの穴に取り付けられた長いゴム手袋をして内部に手を入れます。 彼は液体の形でリチウムを追加し、デバイスを密封します。

次に、デバイスを光学顕微鏡の下に置き、デバイスの品質をチェックします。 構造的に問題がなければ、挿入の様子を 4 時間にわたってビデオ撮影し始めます。 ここで彼は、移住の段階をカラーで見ることを望んでいる。

彼の目標は、デバイスと実験を一貫して再現し、多くの実験にわたって表示される進行パターンを確認することです。 「色が完璧に見えるようにこのデバイスを微調整したいと思っています。」 一貫してパターンが確認できたら、チームは他の画像化手法を使用してインターカレーションについてさらに詳しく知ることができます。

「基礎を理解できれば、効率を高める方法を見つけ出すことができ、おそらくバッテリーにイノベーションをもたらすことができるでしょう」とレイナ氏は語った。