キム・ジェヒョン主任研究員率いるDGISTエネルギー・環境技術学部の研究チームは、「三層固体高分子電解質」を使ったリチウム金属電池を開発した。このイノベーションは、バッテリー寿命を延長しながら火災安全性を大幅に向上させるため、電気自動車や大規模エネルギー貯蔵システムにおける有望なソリューションとなっています。
DGIST の 3 層固体高分子電解質セルは、1,000 サイクル後も 87.9% の性能を維持しながら、安全性、効率、耐久性を向上させ、デンドライトの問題を解決します。電気自動車や蓄電システムなどさまざまな分野での活用が期待されています。
従来の固体高分子電解質電池は、電極間の最適な接触を妨げる構造的制限による課題に直面しています。これらの制限は、充放電サイクルを繰り返す間に発生する樹枝状リチウムの形成である「デンドライト」の問題を解決するものではありません。樹状突起は、不規則な成長によってバッテリー接続に損傷を与え、火災や爆発を引き起こす可能性があるため、重大な安全上の問題を引き起こします。
そこで研究チームは、これらの問題を解決するために3層構造の電解質を開発した。各層には異なる機能があり、バッテリーの安全性と効率が大幅に向上します。この電解液には、火災を防止する「デカブロモジフェニルエタン（DBDPE）」、電解液の強度を高める「ゼオライト」、リチウムイオンの素早い移動を促進する高濃度のリチウム塩「リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（LiTFSI）」が使用されています。
この 3 層固体電解質は、電池の機械的強度を高める強力な中間層を備えている一方、柔らかい外面が良好な電極接触を確保し、リチウムイオンの移動を促進します。これにより、リチウムイオンの移動が高速化され、エネルギー伝達率が向上し、樹枝状結晶の形成が効果的に防止されます。
実験結果によると、研究チームが開発したバッテリーは1,000回の充放電サイクル後も性能の約87.9％を維持できることがわかった。通常70～80％の性能しか維持できない従来のバッテリーと比べ、耐久性が大幅に向上します。また、火災の際には自己消火性があり、火災の危険性を大幅に軽減します。このバッテリーは、スマートフォンやウェアラブルなどの小型機器から電気自動車や大型エネルギー貯蔵システムに至るまで、あらゆるものに使用されることが期待されています。
「この研究は、[エネルギー貯蔵装置の安定性と効率を改善しながら、[固体ポリマー]電解質を使用したリチウム金属電池の商業化に大きく貢献することが期待されます」とジン博士は述べた。
DOI:10.1002/smll.202406200
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