リチウムイオン電池を安価で持続可能に代替する電池の提案 (Rensselaer Researchers Propose an Affordable and Sustainable Alternative to Lithium-Ion Batteries)

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2022-08-02 レンセラー工科大学 (RPI)

リチウムイオン電池を安価で持続可能に代替する電池の提案 (Rensselaer Researchers Propose an Affordable and Sustainable Alternative to Lithium-Ion Batteries)

・ RPI が、カルシウムイオンと水系電解質による持続可能で安価な電池を開発。
・ 現在の充電式電池はリチウムイオン技術ベースのものが主流だが、リチウムの資源量は限られており、近年の価格高騰は著しい。また、長期間の利用における安全性の懸念もある。
・ リチウムイオン電池の持続可能でで安価・安全な代替として、水系電解質とカルシウムイオンを使用した電池技術についてその課題に対処し、電池の作動を実証した。
・ 2 価のカルシウムイオンは、電池作動時の電極へのイオン 1 個の挿入毎に電子 2 個を放出するため、イオン量の少ない高効率な電池設計を可能にするが、リチウムイオンに比べて大きなカルシウムイオンのサイズと、高い電荷密度が拡散速度やサイクル安定性を損なわせる。
・ 本研究では、カルシウムイオンの通り道となる六角形と七角形のチャネル(トンネル)が結晶構造中
に遍在する、モリブデンバナジウム酸化物(MoVO)を利用してこの課題に対処した。
・ MoVO のこれらのチャネルがカルシウムイオン伝導の可逆的で急速な経路の役割を担い、カルシウムイオンの急速な脱挿入が可能なことを実証。MoVO は、これまでに報告されているカルシウムイオン貯蔵の最高性能の 1 つを提供する。
・ 本研究は、地球上に豊富にある安全な材料を使用するため安価で持続可能な、リチウムイオン電池を代替する新しい種類の高性能カルシウムベース電池の実現につながるもの。
URL: https://news.rpi.edu/content/2022/08/02/rensselaer-researchers-propose-affordable-and-sustainable-alternative-lithium-ion

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

米国科学アカデミー紀要(PNAS)掲載論文
Reversible and rapid calcium intercalation into molybdenum vanadium oxides
URL: https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2205762119

Significance

Calcium ion intercalation into electrode materials is challenging due to the large size and high charge density of calcium ions relative to lithium. Here, we report oxide structures containing big open spaces (heptagonal and hexagonal channels) as a prospective solution. This could open avenues for high-performing calcium–ion batteries that offer a cost-effective and sustainable alternative to lithium-based batteries.

Abstract

Looming concerns regarding scarcity, high prices, and safety threaten the long-term use of lithium in energy storage devices. Calcium has been explored in batteries because of its abundance and low cost, but the larger size and higher charge density of calcium ions relative to lithium impairs diffusion kinetics and cyclic stability. In this work, an aqueous calcium–ion battery is demonstrated using orthorhombic, trigonal, and tetragonal polymorphs of molybdenum vanadium oxide (MoVO) as a host for calcium ions. Orthorhombic and trigonal MoVOs outperform the tetragonal structure because large hexagonal and heptagonal tunnels are ubiquitous in such crystals, providing facile pathways for calcium–ion diffusion. For trigonal MoVO, a specific capacity of ∼203 mAh g−1 was obtained at 0.2C and at a 100 times faster rate of 20C, an ∼60 mAh g−1 capacity was achieved. The open-tunnel trigonal and orthorhombic polymorphs also promoted cyclic stability and reversibility. A review of the literature indicates that MoVO provides one of the best performances reported to date for the storage of calcium ions.
0402電気応用
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