バッテリーは寒さではうまく機能しません - バッテリー研究者が低温での化学について説明します

充電式バッテリーは、エネルギーを貯蔵し、スマートフォンから電気自動車までの電子機器に電力を供給するのに最適です。ただし、寒い環境では充電が難しくなり、発火する可能性もあります。

私は機械工学の教授で、大学時代から電池に興味を持っていました。私は今、 電池研究グループ ドレクセル大学にて。

この10年ほどの間に、私は次のようなものを見てきました。 リチウムイオン電池の価格が下落 生産市場として はるかに大きくなりました. 。将来の予測では、市場が到達する可能性があると予測されています 2030年までに年間数千GWh, 、大幅な増加。

しかし、リチウムイオン電池は完璧ではありません。この増加にはリスクが伴います。たとえば、寒い季節には電池の速度が低下したり、発火したりする傾向があります。

リチウムイオン電池の裏側

の 電気化学エネルギー貯蔵 バッテリー内は電気を蓄えることで動作します イオンの形で. 。イオンは、電子が多すぎるか不足しているため、ゼロ以外の電荷を持つ原子です。

電気自動車や電話を接続すると、コンセントから電気が供給されます。 これらのイオンを駆動します バッテリーの正極から負極へ。電極はイオンを蓄えることができるバッテリー内の固体材料であり、すべてのバッテリーには正極と負極の両方があります。

電子は電気としてバッテリーを通過します。電子が 1 つの電極に移動するたびに、リチウム イオンも同じ電極に移動します。これにより、バッテリー内の充電バランスが確保されます。車を運転すると、負極に蓄えられたイオンが正極に戻り、その結果生じる電気の流れがモーターに電力を供給します。

単 3 形または単 4 形電池は小型電子機器に電力を供給できますが、使用できるのは 1 回だけであり、充電することはできません。充電式リチウムイオン電池は、完全な充電と放電を数千サイクル繰り返して動作できます。サイクルごとに、単 3 電池や単 4 電池よりもはるかに多くの電荷を蓄えることもできます。

リチウムは金属の中で最も軽いため、 比容量, 、つまり、 重量当たりの電荷量が膨大になる. 。このため、リチウムイオン電池はポータブル電子機器だけでなく、電気自動車などの重量や容積が制限されている交通機関への電力供給にも役立ちます。

バッテリー火災

ただし、リチウムイオン電池には単三電池や単四電池にはないリスクがあります。まず、発火する可能性が高くなります。たとえば、 電動自転車のバッテリー火災 ニューヨーク市で報告された人は、過去 5 年間で 30 人から 300 人近くに増加しました。

さまざまな問題がバッテリー火災の原因となる可能性があります。製造が不十分なセルには、製造プロセスで残された微量の不純物や粒子などの欠陥が含まれている可能性があり、内部故障のリスクが高まります。

気候もバッテリーの動作に影響を与える可能性があります。 電気自動車の販売 特に北東部や中西部などの寒冷地では、極寒の気温がバッテリーの性能を低下させる可能性があるため、米国全土で増加している。

バッテリーには電解質と呼ばれる液体が含まれており、低温では液体の流れが遅くなります。そのため、バッテリー内の電解質は寒さの中で遅くなり、濃くなり、内部のリチウムイオンの移動が遅くなります。この速度の低下により、リチウムイオンが電極に適切に挿入されなくなる可能性があります。代わりに、それらは電極表面に堆積して形成される可能性があります。 リチウム金属.

充電中に電極表面にリチウムが多量に堆積すると、内部短絡が発生する可能性があります。このプロセスでできることは、 バッテリー火災を起こす.

より安全な電池を作る

私の研究グループ, らは、他の多くの企業とともに、寒さの中でより効率的に動作する電池を作る方法を研究しています。

たとえば、研究者らは通常のバッテリー電解液を交換し、低温でも増粘しない代替電解液に置き換えることを検討しています。もう一つの潜在的な選択肢は、 バッテリーパックを加熱する 充電プロセスがより暖かい温度で行われるように、充電前に充電してください。

私のグループは、リチウムイオン以外の新しいタイプの電池も研究しています。これらは、より広い温度範囲でより安定したバッテリータイプ、液体電解質をまったく使用しないタイプ、またはリチウムの代わりにナトリウムを使用するバッテリーなどです。 ナトリウムイオン電池 ナトリウムは非常に豊富な資源であるため、うまく機能し、コストが安くなる可能性があります。

全固体電池 引火性のない固体電解質を使用しているため、火災の危険が軽減されます。しかし、これらのバッテリーはリチウムイオンバッテリーほど機能しないため、これらが良い選択肢であるかどうかを判断するにはさらなる研究が必要です。

リチウムイオン電池は、全国の人々が毎日使用する技術を支えており、これらの分野の研究は、この技術を消費者にとってさらに安全にするソリューションを見つけることを目的としています。