新しい研究でバッテリー亀裂の原因と軽減戦略が明らかに

シカゴ大学プリツカー分子工学大学院、イリノイ州シカゴ

シカゴ大学プリツカー分子工学大学院およびアルゴンヌ国立研究所と協力している博士研究員のジン・ワン氏は、電気自動車やその他の技術向けにますます人気が高まっているバッテリーの亀裂につながる可能性のあるナノスケールのひずみの根本原因の一部とその緩和方法を明らかにした新しい論文の筆頭著者です。 (画像:ジョン・ジッチ)

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大学院による新しい研究により、容量の低下、寿命の短縮、場合によっては発火につながるバッテリーの大きな謎が解明されました。

Nature Nanotechnology に掲載された論文で 研究者らは、電気自動車やその他のテクノロジーでますます普及しているバッテリーの亀裂につながる可能性のあるナノスケールのひずみの根本原因とその軽減方法の一部を明らかにしました。

「社会の電化には全員の貢献が必要です。」と責任著者の 1 人、アルゴンヌ特別研究員兼シカゴ大学共同教授のカリル・アミン氏は述べています。「人々が電池が安全で長持ちすると信じていなければ、電池を使用しようとはしないでしょう。」

正極に多結晶ニッケルリッチ材料 (PC-NMC) を使用するリチウムイオン電池には長年にわたる亀裂の問題があるため、研究者はここ数年、単結晶ニッケルリッチ層状酸化物 (SC-NMC) に目を向けてきました。しかし、常に古いモデルと同等またはそれ以上のパフォーマンスを示しているわけではありません。

この新しい研究は、筆頭著者のジン・ワン氏が博士課程中に実施した。 Shirley Meng 教授のエネルギー貯蔵変換研究所と Amine の先進電池技術チームが共同監督したこの期間の研究では、根本的な問題が明らかになりました。それは、多結晶カソード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ということです。

「人々が単結晶カソードに移行しようとするとき、彼らは多結晶カソードと同様の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大学で博士研究員として研究しているワン氏は述べた。 「私たちの研究により、単結晶粒子の主な劣化メカニズムが多結晶粒子とは異なることが判明し、それが異なる組成要件につながります。」

アルゴンヌに拠点を置くエネルギー貯蔵研究アライアンス（ESRA）のディレクターでもある孟氏は、「新しい設計戦略が必要なだけでなく、単結晶正極電池の可能性を最大限に発揮するには、さまざまな材料も必要になるだろう」と述べた。 「さまざまな種類の正極材料がどのように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一連の高機能正極材料の設計に役立てることができます。」

多結晶カソード電池が充電および放電すると、積み重ねられた小さな一次粒子が膨張および収縮します。この膨張と収縮の繰り返しにより、凍結と融解を繰り返すと都市の道路に穴ができるのと同じように、多結晶を分離する粒界が広がる可能性があります。 「通常、体積の約 5 ～ 10% の拡大または縮小が発生します」と Wang 氏は言います。 「膨張または収縮年齢が弾性限界を超えると、粒子の亀裂が発生します。」

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の放出を引き起こす可能性があり、熱暴走のリスクなどの安全上の懸念が生じる可能性があります。しかし、そのような劇的な状況を除けば、より日常的な影響は容量の低下です。バッテリーは時間の経過とともに劣化し、新品のときと同じ充電を提供できなくなります。単結晶カソード材料は多くの結晶が積み重なってできているわけではないため、そのような開始時の粒界はありませんが、依然として劣化していました。

「単結晶 NMC カソードの劣化は、主に明確な機械的故障モードによって支配されることを実証しました」と、もう 1 人の責任著者であるアルゴンヌ大学の化学者、トンチャオ・リュー氏は述べています。 「これまで過小評価されていたこのメカニズムを特定することにより、この研究は材料組成と劣化経路との直接的な関係を確立し、これらの材料の性能低下の原因についてのより深い洞察を提供します。」

彼らは、マルチスケールのシンクロトロン X 線技術と高解像度透過型電子顕微鏡を使用して、単結晶カソードの亀裂が主に反応の不均一性によって引き起こされることを発見しました。粒子はさまざまな速度で反応しており、多結晶設計のように多数の結晶間ではなく、1 つの結晶内で歪みが発生していました。

多結晶カソードは、ニッケル、マンガン、コバルトのバランスをとる働きをします。コバルトは亀裂の原因になりますが、別の問題である Li/Ni 障害を軽減するために必要でした。

研究チームは、ニッケル・コバルト電池（マンガン不使用）とニッケル・マンガン電池（コバルト不使用）を１つずつ構築してテストしたところ、単結晶カソードではその逆が当てはまることを発見した。マンガンはコバルトよりも機械的に有害であり、コバルトは実際に電池を長持ちさせるのに役立ちました。

ただし、コバルトはニッケルやマンガンよりも高価です。ワン氏は、この研究室のイノベーションを実際の製品に変えるためのチームの次のステップは、コバルトの良好な結果を再現する安価な材料を見つけることであると述べました。

「進歩には周期性がある」とアミン氏は言う。 「問題を解決したら、次の課題に進みます。この共同論文で概説された洞察は、将来の研究者が将来のバッテリー用に、より安全で長持ちする材料を作成するのに役立ちます。」

詳細については、Khalil Amine までお問い合わせください。この電子メール アドレスはスパムボットから保護されています。表示するには JavaScript を有効にする必要があります。