リーの亀裂

ジャストスーパー/イメージ

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世界中の研究者が、主にエネルギー密度の向上と充電時間の短縮を目的として、さらなるバッテリー技術を熱心に追求しています。 ミシガン大学の科学者チームによる研​​究では、リチウムイオン電池の正極の亀裂が電池の充電時間の短縮に役立つ可能性があることが、大きな進歩としてわかりました。

通常、バッテリーの寿命を縮めることで知られる亀裂の認識は、神経科学にヒントを得た技術を使用して解決されました。 これは、亀裂がバッテリーの寿命を縮めると信じている多くの電気自動車メーカーの考えと矛盾します。

「多くの企業は、亀裂のない粒子を使用して『100万マイル』のバッテリーを製造することに興味を持っています。残念ながら、亀裂が除去されてしまうと、その亀裂による余分な表面積がなければ、バッテリー粒子は急速充電できなくなります」と同氏は述べた。材料科学工学助教授イーヤン・リー氏は大学からの声明でこう述べた。

この研究はジャーナル「Energy and Environmental Sciences」に掲載された。

研究者らは、今回の研究が、正極（またはカソード）がリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物またはリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物のいずれかで形成された数十億個の小さな粒子で構成されているすべての電気自動車用バッテリーの半分以上に適用されると推定している。

「理論的には、カソードの充電速度は粒子の表面積と体積の比によって決まります。小さな粒子は体積に比べて表面積が大きいため、大きな粒子よりも速く充電されるはずです。そのため、リチウムイオンが到達するまでの距離が短くなります。」それらを通じて拡散します。」

しかし、従来の技術では、個々のカソード粒子の充電特性を直接検出することはできず、バッテリーのカソードを構成するすべての粒子の平均値のみを検出することができました。 この制約のため、一般に信じられている充電速度とカソード粒子サイズとの関係は単なる仮定にすぎませんでした。

「カソード粒子には亀裂があり、その外表面だけでなく粒子の亀裂の内部にも、リチウムイオンを取り込むためのより活性な表面があることがわかりました。電池科学者は亀裂が発生することを知っていますが、亀裂が充電にどの程度影響するかを測定していません」スピードです」と、このプロジェクトに携わった材料科学工学部の博士課程学生、ジンホン・ミン氏は語った。

個々の陰極粒子の充電速度を測定することは、陰極をクラックする利点を判断するために重要であり、研究チームは、神経科学者が個々の脳細胞が電気インパルスをどのように伝達するかを分析するために日常的に使用している装置に粒子を導入することによって実行した。

研究チームは、最大 100 個の微小電極を備えた 2 × 2 センチメートルのデバイスであるアレイを設計しました。 デバイスの中心にいくつかの陰極粒子を分散させた後、人間の髪の毛よりも70倍細い針を使用して、単一の粒子をアレイ上の電極上に移動させました。 彼らは、粒子が配置された後、アレイ上で一度に最大 4 つの個別の粒子を充電および放電することができ、この特定の調査では 21 個の粒子を監視しました。

実験により、カソード粒子の充電速度は粒子のサイズとは無関係であることがわかりました。 この驚くべき挙動の最も妥当な説明は、大きな粒子が壊れるときに小さな粒子のクラスターのように振る舞うというものです。 別の理論は、リチウムイオンは、カソード粒子を構成するナノスケール結晶間の微細な隙間である粒界内を非常に速く移動するというものです。 リー氏は、バッテリー内の電解質（リチウムイオンが移動する液体媒体）がこれらの限界を突破して亀裂を形成しない限り、これはあり得ないと考えている。

研究チームによると、割れない単結晶粒子を使って長持ちする電池を構築する際には、割れた材料の利点を考慮する必要があるという。 高速充電するには、これらの粒子を今日の有害なカソード粒子よりも小さくする必要があるかもしれません。 「代替案は、リチウムをより速く移動させることができる異なる材料で単結晶正極を作ることだが、それらの材料は必要な金属の供給によって制限されたり、エネルギー密度が低くなったりする可能性がある」とリー氏は述べた。