電池のリチウム代替品
リチウム電池の欠点の中には、適切に扱わないと火災の危険性があることが挙げられます。さらに、電池の製造に使用されるリチウムとコバルトは地球上にそれほど豊富ではありません。そのため、電池を製造するために他の元素を使用することが現在研究されていますが、それらは性能においてリチウムに匹敵しないため、その用途は非常に限られています。
これらのケースの 1 つは亜鉛で見つかります。亜鉛は非充電式アルカリ電池で優れた性能を発揮し、充電式アルカリ電池をより安全かつ安価にする可能性もあります。この安全性の背後にある理由は、亜鉛電池で使用される電解液が、リチウム電池の場合のように有機物で可燃性のものではなく、水ベースであるためです。
では、なぜリチウムが亜鉛に置き換えられなかったのでしょうか?基本的にその操作のためです。亜鉛アノードは、粉末状の亜鉛粒子を結合させることによって作られます。充電と放電のサイクルが実行されると、酸化亜鉛の層が生成されます。さらに、亜鉛の小さな枝が生成され、最終的にはアノードとカソードを隔てる障壁を通過し、電池を短絡させます。
錆による亜鉛制限の解決策
米国海軍研究所の研究者グループは、この問題を解決するために材料をアレンジする別の方法に取り組んでいます。具体的には、チームは2 つの基本的な変更を加えました。
1 つ目は、材料にスポンジ構造を与えることで、材料が接続されたままになりますが、小さな空気層を残して多孔質になります。 2 つ目は、化学反応を制御するためにビスマスとインジウムを添加することです。酸化亜鉛もこの方法で形成されますが、材料の粒子間の接続をブロックするのではなく、屋外ゾーンで凝集します。
実施されたテストでは、研究チームはこの方法で亜鉛アノードとニッケルカソードを備えた電池を作成しました。充電および放電テストでは、バッテリーは充電容量の半分を失うまでに 100 ～ 150 サイクル実行されました。充電損失は大きいですが、実験室のプロトタイプに電解質を追加すると、完全な充電容量を回復できました。さらに、顕微鏡でバッテリーを検査したところ、アノードが酸化亜鉛で目詰まりしていないことが観察されました。現在解決すべき問題は電解質の損失です。
実際のテストはハイブリッド車でも実施され、車の 12V バッテリーを重量の 5 分の 1 の亜鉛バッテリーに置き換えました。日産リーフのような電気自動車では、亜鉛電池の重量は 3 分の 1 になり、さらに多くの電荷を蓄えることができます。さらに、亜鉛電池は発熱が少ないですが、それでも大きなサイズで動作する場合には問題が発生します。