写真上：電子顕微鏡下でのスズ粒子の単分散系。
チューリッヒスイス高等技術学校の無機化学研究所とスイス連邦科学技術研究所のマキシムコバレンコが率いる科学者グループは、リチウム電池のエネルギーを大幅に節約できる新しいタイプのナノ材料を入手することができました。
ナノ材料は、バッテリーの負極である負極に固定されたスズの小さな破片で構成されています。 動作原理は非常に簡単です。バッテリーが充電されると、リチウムイオンが電極に吸収され、動作中および放電中にリチウムイオンが放出されます。 コバレンコ自身が説明するように、そのような「呼吸」の過程でより多くのイオンが吸収されると、より多くのエネルギーをバッテリーに蓄えることができます。
ナノ材料を構築するための元素の選択は、各スズ原子がリチウム原子の最大4つのイオンを吸収できるという事実によって決定されました。 ただし、ここでは物理的なサイズの問題が発生します。スズ結晶のサイズは、イオンを吸収すると最大3倍に増加し、イオンを放出すると減少します。
そのため、研究者はナノテクノロジーを使用して最小のスズナノクリスタルを生成し、カーボンマトリックスに埋め込んで多孔質導電性電極材料を生成することにしました。 スポンジ、水のように、この材料は充電中にリチウムイオンを捕捉して保持し、バッテリー動作中にリチウムイオンを放出します。 アノードが単一のスズ片から作られている場合、同様の効果を観察することはできません。
開発中に、理想的なサイズを決定し、互いに類似した同じタイプのナノクリスタルを作成する際に問題が発生しました。 最後の問題は、結晶成長段階の温度と時間を調整することで解決されました。 ドイツの姓コバレンコの科学者は、彼のグループがそのような精度でナノクリスタルを作成した最初の人だと自慢しています。
従来の電極を備えたバッテリーと比較して、蓄積エネルギーの2倍の増加が約束されています。 ナノクリスタルを備えたバッテリーは、最初の放電と充電中に特別な利点はありませんでしたが、数サイクルの動作の後、電極上の10ナノメートルのクリスタルによって引き起こされる違いが明らかになりました。
現時点では、ナノ結晶の最適なサイズが明らかにされており、チームは他の最大限生産性の高いコンポーネントの知識を獲得したいと考えています：最高の炭素マトリックス、電極の最高のバインダー、最高の電極の微視的構造、理想的な電解質。 科学者はまた、意思決定のコストに取り組みます。
容量が大幅に大きいバッテリーは、ポータブル家電の所有者やメーカーだけでなく、電気自動車業界にとっても朗報です。 比較的軽量で持ち運び可能なリチウムイオン電池は、今日、電話、スマートフォン、ラップトップだけでなく、電気自動車やオートバイにも使用されています。 特に、米国エネルギー省は、電気自動車用のより効率的なバッテリーの開発に関心を持っています。
phys.orgの材料と、 高性能リチウムイオン電池のアノード用の単分散および無機的にキャップされたSnおよびSn / SnO2ナノクリスタルに基づいています。