新研究がバッテリー亀裂の原因を解明し、緩和策を提示

シカゴ大学プリツカー分子工学部（イリノイ州シカゴ）

シカゴ大学プリツカー分子工学部とアルゴンヌ国立研究所で研究するポスドク研究者のジン・ワン氏は、電気自動車や他の技術でますます普及しているバッテリーにおいて、ナノスコピックな歪みが亀裂を引き起こす根本原因とその緩和策を明らかにした新論文の筆頭著者です。（画像：John Zich）

バッテリーの謎を解明

アルゴンヌ国立研究所とシカゴ大学プリツカー分子工学部の新研究により、容量劣化、寿命短縮、場合によっては火災を引き起こしてきたバッテリーの重大な謎が解明されました。

『Nature Nanotechnology』誌に掲載された論文で、研究者たちは電気自動車や他の技術でますます普及しているバッテリーにおいて、ナノスコピックな歪みが亀裂を引き起こす根本原因とその緩和策を明らかにしました。

「社会の電動化には皆の貢献が必要です」と、共著者の一人であるアルゴンヌ特別研究員兼シカゴ大学合同教授のハリル・アミン氏は語ります。「人々がバッテリーの安全性と長寿命を信頼しなければ、それらを選択しなくなるでしょう。」

単結晶正極材料への移行と課題

リチウムイオン電池で多結晶Niリッチ材料（PC-NMC）を正極に使用する場合の長年の亀裂問題のため、研究者たちはここ数年、単結晶Niリッチ層状酸化物（SC-NMC）へ移行してきました。しかし、それらは必ずしも従来材料と同等以上の性能を示すわけではありませんでした。

シカゴ大学とアルゴンヌで博士課程在籍中に研究を行った筆頭著者ジン・ワン氏（シャーリー・メン教授のエネルギー貯蔵・変換研究室とアミン氏の先進バッテリー技術チームの共同指導）による新研究は、根本的な問題を突き止めました：多結晶正極から導かれた仮定が、単結晶材料に誤って適用されていたのです。

「単結晶正極へ移行しようとする際、人々は多結晶の場合と類似した設計原則に従ってきました」と、現在シカゴ大学とアルゴンヌでポスドク研究者を務めるワン氏は語ります。「我々の研究は、単結晶粒子の主要劣化メカニズムが多結晶とは異なることを特定し、それにより異なる組成要件が必要であることを示しました。」

「新しい設計戦略だけでなく、単結晶正極バッテリーが最大のポテンシャルを発揮するには異なる材料も必要です」と、アルゴンヌを拠点とするエネルギー貯蔵研究アライアンス（ESRA）ディレクターでもあるメン氏は語ります。「異なるタイプの正極材料がどう劣化するかをより深く理解することで、世界のエネルギー需要に応える高機能正極材料の設計を支援できます。」

劣化メカニズムの違い

多結晶正極バッテリーが充放電すると、微小な積層一次粒子が膨張と収縮を繰り返します。この繰り返しによって多結晶を分離する粒界が広がり、まるで繰り返しの凍結と融解が市街地の道路にポットホールを作るように、亀裂が生じます。「通常、約5〜10%の体積膨張または収縮が生じます」とワン氏。「弾性限界を超えると粒子亀裂につながります。」

亀裂が広がりすぎると電解液が侵入し、望ましくない副反応や酸素放出を引き起こし、熱暴走のリスクなど安全上の懸念が生じます。しかし、そうした劇的な状況を除いても、日常的な影響として容量劣化があります。バッテリーは時間とともに劣化し、新品時と同じ充電量を供給できなくなります。単結晶正極材料は最初からそれらの粒界を持たないにもかかわらず、劣化していました。

「単結晶NMC正極の劣化は、明確な機械的破壊モードによって支配されていることを実証しました」と、もう一人の共著者であるアルゴンヌの化学者トンチャオ・リウ氏は語ります。「このこれまで過小評価されていたメカニズムを特定することで、材料組成と劣化経路の直接的なリンクを確立し、これら材料の性能劣化の起源への理解を深めました。」

単結晶での亀裂は反応不均一性が原因

マルチスケールシンクロトロンX線技術と高分解能透過電子顕微鏡を用いて、単結晶正極での亀裂が主に反応不均一性によって駆動されることを発見しました。粒子が異なる速度で反応するため、多結晶設計のように複数の結晶間ではなく、単一結晶内部で歪みが生じます。

多結晶正極はニッケル、マンガン、コバルトのバランス調整です。コバルトは亀裂を引き起こしますが、別の問題であるLi/Ni無秩序を緩和するために必要とされていました。

ニッケル-コバルト電池（マンガンなし）とニッケル-マンガン電池（コバルトなし）を作製・試験したところ、単結晶正極では逆の傾向が見られました。マンガンの方がコバルトより機械的に有害であり、コバルトが実際にはバッテリー寿命を延ばすことが判明しました。

しかし、コバルトはニッケルやマンガンより高価です。ワン氏は、この実験室レベルの革新を実用製品に転換する次のステップとして、コバルトの良い結果を再現するより安価な材料を見つけることだと語ります。

「進歩はサイクルで訪れます」とアミン氏。「一つの問題を解決したら、次の問題へ進む。この共同論文で示された知見が、未来のバッテリーのためにより安全で長寿命な材料の創出を支援するでしょう。」

詳細については、ハリル・アミン氏（メール）までお問い合わせください。