より速く、より長持ちする次世代バッテリーの開発を導く技術

再生可能エネルギーインフラの確立には、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となっており、信頼性の高いグリッドレベルの蓄電装置や電気自動車の有望な候補となっています。ただし、充電速度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で長持ちするバッテリーの開発を支援するには、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、動作中の活性電池材料を視覚化するには、高度なシンクロトロン X 線または電子顕微鏡技術が必要ですが、これは困難で高価な場合があり、急速充電中の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できないことがよくあります。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のダイナミクスは、ほとんど解明されていないままです。

ケンブリッジ大学の研究者らは、リチウムイオン電池を研究するための低コストの実験室ベースの光学顕微鏡技術を開発することで、この問題を克服した。彼らは、これまでで最も急速に充電されるアノード材料の 1 つである Nb14W3O44 の個々の粒子を検査しました。小さなガラス窓を通して可視光がバッテリーに送られるため、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することができます。これにより、個々の活性粒子内を移動する前線のようなリチウム濃度勾配が明らかになり、内部ひずみが生じて一部の粒子が破壊されることが明らかになりました。粒子の破壊は、破片の電気的切断につながり、バッテリーの蓄電容量が減少する可能性があるため、バッテリーにとって問題です。「このような自然発生的な現象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」と共著者であるケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所のクリストフ・シュネダーマン博士は述べています。

光学顕微鏡技術のハイスループット機能により、研究者らは多数の粒子を分析できるようになり、脱リチウム化率が高く、粒子が長いほど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。「これらの発見は、このクラスの材料における粒子破壊と容量低下を軽減するために直接適用可能な設計原則を提供します」と、筆頭著者でケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所化学部の博士課程候補者であるアリス・メリーウェザー氏は述べています。

今後は、迅速なデータ取得、単一粒子分解能、高スループット機能などのこの方法論の主な利点により、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査できるようになります。この技術は、ほぼあらゆる種類の電池材料の研究に適用できるため、次世代電池の開発における重要なパズルのピースとなっています。