バッテリーが劣化する本当の理由は何ですか?

スタンフォード大学が最近行ったリチウム電池電極内の微粒子の挙動に関する研究では、電池を急速充電してから高出力で消費の早い作業に使用しても、研究者が予想したほど電池にダメージを与えない可能性があり、充電と消費をゆっくり行うことの利点も誇張されている可能性があることが示された。

スタンフォード大学と米国エネルギー省SLAC国立加速器研究所のスタンフォード材料エネルギー科学研究所（SIMES）の研究者らによると、この研究結果は、バッテリーを「過充電」するには、ゆっくり充電するよりも多くの電極が必要だという一般的な見解に異を唱えるものだ。また、科学者らは、バッテリーの電極を変更したり、充電方法を変更したりすることで、より均一な充電・放電プロセスを促進し、バッテリーの寿命を延ばすことができるかもしれないとも述べている。

「充電と放電中に電極内で起こる化学反応の詳細は、バッテリー寿命を決定する多くの要因のうちの1つに過ぎませんが、この研究が行われるまで十分に理解されていませんでした」と、スタンフォード大学の材料科学および工学の助教授でありSIMESの所長でもある主任著者のウィリアム・チュー氏は述べた。 「私たちはバッテリーの劣化を研究する新しい方法を発見しました。」これらの発見は、多くの現代の市販リチウム電池で使用されている酸化物電極とグラファイト電極に直接適用できます。

この研究は9月14日、ネイチャー・マテリアルズ誌に掲載された。研究チームには、マサチューセッツ工科大学、サンディア国立研究所、韓国のサムスン先端技術研究所、米国のローレンス・バークレー国立研究所の研究協力者も含まれています。

電池内のイオンを観察する

バッテリーの消耗の大きな原因は、充電と放電のプロセス中に正極と負極が電解質からイオンを吸収したり放出したりすることで膨張したり収縮したりすることです。この研究では、科学者らは数十億個のリン酸鉄リチウムナノ粒子で構成された正極を研究した。この正極は、イオンのほとんどまたはすべてが充電および放電プロセスに積極的に関与している場合、比較的均一にイオンを吸収および放出する。しかし、ほんの数個の粒子がすべてのイオンを吸収すると、粒子が分解して損傷する可能性が高くなり、バッテリーの寿命が短くなります。

これまでの研究では、ナノ粒子の特性と挙動に関して相反する見解が出てきました。さらに調査を進めるため、研究者らは小型のコイン型電池を作成し、異なる電流で異なる時間充電した後、すぐに電池を分離して部品を洗い流し、充電/放電プロセスを停止した。その後、科学者たちは電極を非常に薄いスライスに切り、先進光源シンクロトロンの強力なX線ビームラインを使用して検査するためにバークレー国立研究所に送りました。

急速放電に関する新たな知見

「一度に何千もの電極ナノ粒子を研究し、充電と放電のプロセスのさまざまな段階のスナップショットを撮ることができる」と、スタンフォード大学の大学院生で筆頭著者のイーヤン・リー氏は語った。 「この研究は、さまざまな充電および放電条件下での充電および放電プロセスに関する初めての詳細かつ包括的な調査です。」

研究者らは、MITで開発された高度なモデルを使用してデータを分析することで、充電プロセスは非常に速く進行するにもかかわらず、充電プロセス中にイオンを吸収および放出するのはナノ粒子のごく一部だけであることを発見した。しかし、バッテリーが放電されると、興味深いことが起こります。放電率が一定の限度を超えて増加すると、より多くの粒子が同期してイオンを吸収し始め、より統一された、より損傷の少ないパターンに変化します。これは、科学者が電極材料やプロセスを微調整することで、バッテリー寿命を延ばしたり、充放電速度を速めたりできる可能性があることを示唆している。

リー氏によると、次のステップは、バッテリー電極を数百、あるいは数千サイクル実行して、現実世界の状況をシミュレートすることです。科学者たちは、プロセスを中断してバッテリーのコンポーネントを分離するのではなく、充電中および放電中のバッテリーのスナップショットを撮影できるようにしたいと考えています。

これにより、より現実的な洞察が得られるはずであり、このプロセスは、ALS や SLAC のスタンフォード シンクロトロン放射光源などのシンクロトロンで実行できます。李氏はまた、研究チームは現在、業界と緊密に協力して、これらの研究結果を輸送や家電の分野にどのように応用できるかを調査していると述べた。

この研究は、韓国のサムスン先端技術研究所グローバルイノベーションエクステンションプログラム、スタンフォード大学工学部およびプレコートエネルギースクール、サムスン-MITエネルギー応用材料設計プログラム、および米国エネルギー省の支援を受けて実施されました。

今日頭条の青雲計画と百家曼の百+計画の受賞者、2019年百度デジタル著者オブザイヤー、百家曼テクノロジー分野最人気著者、2019年捜狗テクノロジー文化著者、2021年百家曼季刊影響力のあるクリエイターとして、2013年捜狐最優秀業界メディア人、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト北京3位、2015年光芒体験賞、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト決勝3位、2018年百度ダイナミック年間有力セレブなど、多数の賞を受賞しています。