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科学をシンプルに:電池とは何ですか、そしてそれらはどのように機能しますか?

2021-06-16

トピック:
バッテリー、テクノロジー、DOE、エネルギー、リチウムイオンバッテリー
米国エネルギー省による2021年5月9日



バッテリーおよび同様のデバイスは、オンデマンドで電気を受け入れ、保存し、放出します。バッテリーは、他の多くの日常のエネルギー源と同じように、化学ポテンシャルの形で化学を使用してエネルギーを蓄えます。たとえば、丸太は、燃焼によってエネルギーが熱に変換されるまで、化学結合にエネルギーを蓄えます。

ガソリンは、自動車のエンジンで機械的エネルギーに変換されるまで、化学ポテンシャルエネルギーを蓄えます。同様に、バッテリーが機能するためには、電気を容易に貯蔵する前に化学ポテンシャルの形に変換する必要があります。

電池は、電解質と呼ばれる化学物質で分離された、陰極と陽極と呼ばれる2つの電気端子で構成されています。エネルギーを受け入れて放出するために、バッテリーは外部回路に結合されています。電子は回路内を移動し、同時にイオン(電荷を持つ原子または分子)は電解質内を移動します。

二次電池では、電子とイオンは回路と電解質を通ってどちらの方向にも移動できます。電子が陰極から陽極に移動すると、化学ポテンシャルエネルギーが増加し、バッテリーが充電されます。彼らが反対方向に動くとき、彼らはこの化学ポテンシャルエネルギーを回路内の電気に変換し、バッテリーを放電します。充電または放電中、反対に帯電したイオンは電解質を通ってバッテリー内を移動し、外部回路を通って移動する電子の電荷のバランスを取り、持続可能で再充電可能なシステムを生成します。充電されると、バッテリーを回路から切り離して、後で電気として使用するために化学ポテンシャルエネルギーを保存することができます。

電池は1800年に発明されましたが、その化学的プロセスは複雑です。科学者たちは、新しいツールを使用して、バッテリーの電気的および化学的プロセスをよりよく理解し、新世代の高効率の電気エネルギー貯蔵を生み出しています。たとえば、彼らは電池のアノード、カソード、電解質用の改良された材料を開発しています。科学者は、バッテリーの充電と放電時に完全に逆転しないため、充電式バッテリーのプロセスを研究しています。時間の経過とともに、完全に反転しないと、電池材料の化学的性質と構造が変化し、電池の性能と安全性が低下する可能性があります。

電気エネルギー貯蔵の事実
。 2019年のノーベル化学賞は、ジョンB.グッドイナフ、M。スタンリーウィッティンガム、吉野彰に「リチウムイオン電池の開発に対して」共同で授与されました。
。 JCESRの電解質ゲノムは、26,000を超える分子を含む計算データベースを作成しました。このデータベースを使用して、新しい高度なバッテリーの主要な電解質特性を計算できます。

DOE科学・電気エネルギー貯蔵局
DOE科学局、基礎エネルギー科学局(BES)によってサポートされている研究により、電気エネルギー貯蔵が大幅に改善されました。しかし、バッテリーが蓄えることができるエネルギー量を劇的に改善できる真新しい材料を使用した次世代のエネルギー貯蔵のための包括的なソリューションにはまだほど遠いです。このストレージは、再生可能エネルギー源を電力供給に統合するために重要です。プラグイン電気自動車の普及にはバッテリー技術の向上が不可欠であるため、輸送における石油への依存を減らすには、ストレージも重要です。

BESは、個々の科学者による研究や学際的なセンターでの研究をサポートしています。最大のセンターは、DOEエネルギーイノベーションハブであるエネルギー貯蔵研究合同センター(JCESR)です。このセンターは、電気化学材料と現象を原子および分子スケールで研究し、コンピューターを使用して新しい材料の設計を支援します。この新しい知識により、科学者は、より安全で、長持ちし、充電が速く、容量が大きいエネルギー貯蔵を設計できるようになります。 BESプログラムによってサポートされている科学者が電池科学の新しい進歩を達成すると、これらの進歩は、応用研究者や業界によって、輸送、電力網、通信、およびセキュリティのアプリケーションを進歩させるために使用されます。