再生可能エネルギーのインフラ構築には、クリーンで効率的なエネルギー貯蔵技術が不可欠です。リチウム イオン電池は、すでに個人用電子機器で主流であり、信頼性の高いグリッド レベルのストレージや電気自動車の有望な候補です。ただし、充電率と使用可能な寿命を改善するには、さらなる開発が必要です。
このような高速充電と長持ちするバッテリーの開発を支援するために、科学者は動作中のバッテリー内で発生するプロセスを理解し、バッテリー性能の限界を特定できる必要があります。現在、動作中のアクティブなバッテリー材料を視覚化するには、洗練されたシンクロトロン X 線または電子顕微鏡技術が必要ですが、これは困難で費用がかかる可能性があり、多くの場合、急速充電電極材料で発生する急速な変化を捉えるのに十分な速さで画像化することはできません。その結果、個々の活性粒子の長さスケールおよび商業的に関連する急速充電速度でのイオンダイナミクスは、ほとんど未調査のままです。
ケンブリッジ大学の研究者は、リチウムイオン電池を研究するための低コストのラボベースの光学顕微鏡技術を開発することで、この問題を克服しました。彼らは、これまでで最速の充電アノード材料の 1 つである Nb14W3O44 の個々の粒子を調べました。可視光が小さなガラス窓を通してバッテリーに送られ、研究者は現実的な非平衡条件下で活性粒子内の動的プロセスをリアルタイムで観察できます。これにより、個々の活性粒子を通って移動するフロントのようなリチウム濃度勾配が明らかになり、内部歪みが発生し、一部の粒子が破壊されました。粒子破壊は、破片の電気的切断につながり、バッテリーの蓄電容量を低下させる可能性があるため、バッテリーにとって問題です。「このような自発的な出来事はバッテリーに深刻な影響を及ぼしますが、これまでリアルタイムで観察することはできませんでした」と、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所の共著者であるクリストフ・シュネーダーマン博士は述べています。
光学顕微鏡技術の高スループット機能により、研究者は大量の粒子を分析することができ、脱リチウム化率が高く、長い粒子では粒子の亀裂がより一般的であることが明らかになりました。「これらの調査結果は、このクラスの材料の粒子破壊と容量低下を減らすために直接適用可能な設計原則を提供します」と、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所および化学部門の博士号候補である筆頭著者の Alice Merryweather は述べています。
今後、この方法論の主な利点 (迅速なデータ取得、単一粒子の分解能、高スループット機能など) により、バッテリーが故障したときに何が起こるか、またそれを防ぐ方法をさらに調べることができます。この技術は、ほぼすべてのタイプのバッテリー材料の研究に適用できるため、次世代バッテリーの開発におけるパズルの重要なピースとなっています。
投稿時間: Sep-17-2022