新しいバッテリーの画期的な進歩: 岩塩ポリアニオン正極

新しい研究により、バッテリーの実用的なエネルギー密度が向上しました。

Demand for batteries is on the rise worldwide, thanks to their increasing use in the automotive industry, the growing popularity of portable consumer electronics, and stringent environmental regulations. As a result, the global battery market is projected to reach $800 billion by 2036, up from about $120 billion in 2023.

自動車産業での使用の増加、ポータブル家庭用電化製品の人気の高まり、厳しい環境規制のおかげで、バッテリーの需要は世界中で増加しています。その結果、世界の電池市場は2023年の約1,200億ドルから、2036年までに8,000億ドルに達すると予測されています。

In light of this expected growth, researchers are continuously developing and testing new materials and chemicals to improve critical parts of batteries, which affect properties such as energy output, energy storage, power capacity, and cycling capacity.

この予想される成長を考慮して、研究者は、エネルギー出力、エネルギー貯蔵、電力容量、サイクル容量などの特性に影響を与えるバッテリーの重要な部分を改善するために、新しい材料や化学薬品の開発とテストを継続的に行っています。

These components include a cathode (positive electrode), an anode (negative electrode), an electrolyte (for ion transportation between electrodes), and a separator.  

これらのコンポーネントには、カソード (正極)、アノード (負極)、電解質 (電極間のイオン輸送用)、およびセパレーターが含まれます。

Most battery-powered devices today, such as EVs, smartphones, and energy storage systems, rely on lithium-ion battery technology. Lithium-ion batteries can store a huge amount of energy in compact sizes, charge fast, and last long.

EV、スマートフォン、エネルギー貯蔵システムなど、今日のほとんどのバッテリー駆動デバイスは、リチウムイオンバッテリー技術に依存しています。リチウムイオン電池は、コンパクトなサイズに大量のエネルギーを蓄え、急速充電し、長持ちします。

However, with the growing demand for batteries with greater capabilities, new technologies are being researched and developed to improve efficiency, reduce cost, enhance safety, and promote sustainability.

しかし、より高性能なバッテリーへの需要が高まるにつれ、効率の向上、コストの削減、安全性の向上、持続可能性の促進を目的とした新しい技術が研究開発されています。

Over the years, continuous research has led to advancements that offer promising alternatives to lithium-ion and lead-acid batteries. 

長年にわたる継続的な研究により、リチウムイオン電池や鉛酸電池の有望な代替品を提供する進歩がもたらされました。

Sodium-ion batteries offer a more affordable and safer option that performs better at lower temperatures. These batteries are similar to lithium-ion batteries but utilize saltwater as an electrolyte, making them more suitable for energy storage, though they are yet to be optimized. Researchers are even using electrolyte gel to make nanowires more resilient and fit for battery use. 

ナトリウムイオン電池は、低温でより優れた性能を発揮する、より手頃な価格で安全なオプションを提供します。これらの電池はリチウムイオン電池に似ていますが、電解質として塩水を利用しているため、エネルギー貯蔵により適していますが、まだ最適化されていません。研究者らは、ナノワイヤーの弾力性を高め、電池での使用に適したものにするために電解質ゲルも使用しています。

Solid-state batteries, on the other hand, use a solid electrolyte such as glass, ceramic, or polymer instead of gel or liquid electrolyte. These batteries are far more efficient, weigh less, charge faster, and are already being used in smartphones and pacemakers. Toyota and BMW are currently working on launching solid-state battery-powered cars, though it will still take a few years.

一方、全固体電池は、ゲルまたは液体電解質の代わりに、ガラス、セラミック、ポリマーなどの固体電解質を使用します。これらのバッテリーははるかに効率的で、重量が軽く、充電が速く、すでにスマートフォンやペースメーカーで使用されています。トヨタとBMWは現在、全固体電池を搭載した自動車の発売に取り組んでいるが、まだ数年かかる見通しだ。

New battery technologies further include lithium-sulfur batteries, which are cost-efficient but have a durability limitation, and cobalt-free lithium-ion batteries, which can help address human rights concerns in cobalt mining. However, alternatives like TAQ are still new and need more testing.

新しい電池技術にはさらに、コスト効率は高いが耐久性に限界があるリチウム硫黄電池や、コバルト採掘における人権問題への対応に役立つコバルトフリーのリチウムイオン電池などがあります。ただし、TAQ のような代替手段はまだ新しいため、さらなるテストが必要です。

Zinc-based batteries are also being explored, with technologies including zinc-manganese dioxide, zinc-air, zinc-bromine, and zinc-ion batteries. However, they are inefficient, sometimes involve unexpected chemical conversion reactions, and are expensive to manufacture, requiring more research.

亜鉛ベースの電池も研究されており、亜鉛-二酸化マンガン電池、亜鉛-空気電池、亜鉛-臭素電池、亜鉛イオン電池などの技術が使用されています。しかし、それらは非効率で、予期しない化学変換反応を伴う場合があり、製造コストが高くつくため、より多くの研究が必要です。

As the world increasingly relies on batteries, scientists globally are focused on achieving breakthroughs in storage times, power output, production costs, and instant readiness.

世界がバッテリーへの依存を強めるにつれ、世界中の科学者は、保存時間、出力、生産コスト、即時対応の点で画期的な進歩を達成することに焦点を当てています。

Latest Battery Breakthrough: Rock Salt-polyanion Cathodes 

最新のバッテリーのブレークスルー: 岩塩ポリアニオン正極

New research has made an advancement in increasing the practical energy density of the battery. Published in Nature Energy late last month, the study titled “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” was conducted by the MIT Department of Nuclear Science and Engineering.

新しい研究により、バッテリーの実用的なエネルギー密度が向上しました。先月末 Nature Energy に掲載された、「過剰なリチウムと安定したサイクルを備えた統合された岩塩ポリアニオン陰極」と題された研究は、MIT 原子力科学工学部によって実施されました。

The study focuses on a new cathode material found in disordered rock salt, which has been studied as an advanced cathode material for use in lithium-ion batteries for over a decade. 

この研究は、リチウムイオン電池に使用する先進的な正極材料として10年以上研究されてきた、無秩序な岩塩から見つかった新しい正極材料に焦点を当てている。

MIT researchers made sure that the material can create high-energy, low-cost storage for EVs, mobile phones, and renewable energy storage.

MIT の研究者は、この材料が EV、携帯電話、再生可能エネルギー貯蔵用の高エネルギー、低コストの貯蔵を作成できることを確認しました。

Led by Ju Li, the Tokyo Electric Power Company Professor in Nuclear Engineering, the team discovered DRXPS, or disordered rock salt-polyanionic spinel, as the new material.

東京電力原子力工学教授のJu Li氏が率いるチームは、DRXPS（無秩序岩塩ポリアニオン性スピネル）を新しい材料として発見した。

This new category of partially disordered rock salt cathode, integrated with polyanions, is found to deliver high energy density at high voltages with enhanced cycling stability. This is a great achievement, given that there is typically a trade-off between energy density and cycling stability in cathode materials.

ポリアニオンと統合されたこの新しいカテゴリーの部分的に無秩序な岩塩カソードは、サイクル安定性が向上し、高電圧で高いエネルギー密度を実現することがわかりました。通常、カソード材料のエネルギー密度とサイクル安定性の間にはトレードオフがあることを考えると、これは素晴らしい成果です。

“With this work, we aim to push the envelope by designing new cathode chemistries.”

「この研究では、新しいカソードの化学的性質を設計することで限界に挑戦することを目指しています。」

– Yimeng Huang, the paper’s first author, a postdoc at the NSE

– Yimeng Huang、論文の筆頭著者、NSE 博士研究員

Now, how is the new material family able to achieve both high energy density and good cycling stability? The answer lies in the integration of two key cathode materials — rock salt and polyanionic olivine. By combining them, it was able to get both of their benefits.

では、新しい材料ファミリーはどのようにして高いエネルギー密度と良好なサイクル安定性の両方を達成できるのでしょうか?その答えは、岩塩とポリアニオン性カンラン石という 2 つの主要な正極材料の統合にあります。それらを組み合わせることで、両方のメリットを得ることができました。

Another thing at play here is manganese (Mn), a hard, silvery metal found in abundance on Earth and much cheaper than other elements currently used in today’s cathodes. 

ここでもう一つ関与しているのは、マンガン (Mn) です。マンガン (Mn) は、地球上に豊富に存在し、今日のカソードで使用されている他の元素よりもはるかに安価な硬くて銀色の金属です。

For example, Manganese is about thirty times less expensive than Cobalt (Co) and five times less expensive than Nickel (Ni), both of which are commonly used in batteries. Additionally, Manganese plays a crucial role in achieving higher energy densities. 

たとえば、マンガンはコバルト (Co) よりも約 30 分の 1、ニッケル (Ni) よりも 5 分の 1 安く、どちらも電池によく使用されます。さらに、マンガンはより高いエネルギー密度を達成する上で重要な役割を果たします。

“(Having such a) material be much more earth-abundant is a tremendous advantage.”

「（そのような）物質が地球上にはるかに豊富に存在することは、非常に大きな利点です。」

– Li, a professor of materials science and engineering

– リー、材料科学工学教授

This advantage, according to the researchers, is of great value to a zero-carbon future which requires renewable energy infrastructure. 

研究者らによれば、この利点は、再生可能エネルギーインフラを必要とするゼロカーボンの未来にとって非常に価値があるという。

Batteries can play an important

バッテリーは重要な役割を果たします