ドローンのLi-ionバッテリ、ストレスの少ないデバイスで第二の寿命が可能

March, 13, 2024, Washington--空を飛ぶことは、特にドローンに電力を供給するリチウムイオン電池にとってストレスになることがある。これらのセルに過度の負担がかかると、損傷が発生し、デバイスの全体的な寿命が短くなる。
ACS Energy Lettersに掲載された研究は、垂直離着陸する空中電気自動車のバッテリを改善する可能性を示している。研究チームは、これらの課題に対処するために新しい電解質を開発し、「ストレスが溜まった」バッテリは、それほど激しくない用途でも第二の寿命を歩むことができると説明している。

リチウムイオン電池(LiBs)は、比較的小型で軽量なパッケージに大量の電力を詰め込むことができるため、爆発的な人気を博している。しかし、特に短時間でバッテリセルから多くの電力を引き出す必要がある場合は、完璧ではない。たとえば、ドローンは離陸時にバッテリに大きな負担をかける。ホビードローンは従来、LiBsの代わりにリチウムイオンポリマ電池を使用しているが、LiBsはエネルギー密度が高いため、遠隔地に荷物を運ぶドローンなど、より頑丈なドローンに適している。今回、Ilias Belharouak、Marm Dixitたちの研究グループは、リフトオフのような高歪事象がLiB安定性にどのような影響を与えるかをよりよく理解するために、一連のLiBsに「ストレスをかけて」、その性能がどのように変化するかを調べた。

研究チームは、特別に設計された急速充放電電解質を含む一連のLIBセルを製造した。バッテリの最適容量の15倍、つまり蓄えることができる総エネルギー量を45秒間消耗させた。このプロセスでは、垂直離陸時に必要となる急速で高出力の引き込み(＝放電)をシミュレートした。最初の放電パルスの後、セルはより正常な放電速度でさらに排出され、その後再充電された。研究チームは、これらの高ストレス条件下で100サイクル以上持続したセルはなく、ほとんどの細胞が85サイクルあたりで性能低下を示し始めることを発見した。

「ストレス」を受けた後、研究チームはLiBセルに、より正常で低いレートの電力消費を課した。この実験では、セルは低レート条件下では部分的に容量を保持しているが、再び急電流ドレイン条件下に置くとすぐに機能しなくなることを確認した。これらの結果は、ドローンで一般的に使用されるLiBsは、長期にわたる高ストレスの使用に必要な特性を備えていない可能性があるが、引退して、電源用のバッテリーバックアップやエネルギーグリッドストレージなど、他のアプリケーションでのより一般的な電力需要を満たす可能性があることを示している。研究チームによると、垂直離陸やその他の高電力需要のアプリケーションにより適した代替バッテリ技術を開発するには、さらに多くの作業が必要である。

研究チームは、米国陸軍戦闘能力開発司令部(DEVCOM)陸軍研究所からの資金提供を認めている。この研究は、米国エネルギー省（DOE）の国立研究所であるORNLで行われた。