ジョージア工科大学、3D画像から固体電池の典型的な故障原因を特定

現在、携帯電話から電気自動車まで幅広く使用されているリチウムイオン電池は、充放電サイクル中に電池内の電極間でイオンを往復させるために液体電解液に頼っている。液体は均一に電極をコーティングし、イオンの自由な動きを可能にする。

急速に進化する固体電池技術は、代わりに固体電解質を使用しており、将来の電池のエネルギー密度を高め、安全性を向上させるのに役立つと期待されている。しかし、電極からリチウムを除去すると、界面に空隙ができ、電池の動作時間を制限する信頼性の問題を引き起こす可能性がある。

これを克服するために、さまざまな成膜プロセスを通じて構造化された界面を作り、サイクルプロセスを通じて接触を維持しようとすることが想像できる。これらの界面構造を慎重に制御し、エンジニアリングすることは、将来の固体電池開発にとって非常に重要であり、ここで学んだことは、界面の設計に役立つ可能性がある。

共著者のジョージ・W・ウッドラフ機械工学部材料科学工学科のマシュー・マクダウェル助教授らは、オペランド軟X線発光分光により、リチウム / 固体電解質界面の電極材料の動的変化が固体電池の挙動を決定することが明らかになった、と主張している。研究チームは、電池の動作によって界面に空隙が形成され、それが接触の喪失を引き起こし、それが電池の故障の主な原因となっていることを発見した。

オペランド放射光X線CTを用いて、電池サイクル中のリチウム/固体電解質界面の変化を調べ、ボイド形成、相間成長、体積変化の複雑な相互作用がどのようにして電池の挙動を決定するかを明らかにした。リチウム剥離中のボイド形成は対称型セルで直接可視化され、リチウムと固体電解質（Li10SnP2S12）の間の界面で電流収縮を駆動する接触の損失が定量化され、セル故障の主な原因であることが判明した。間隙相は充電時に酸化還元活性であり、どちらの電極でも部分的なモル体積のミスマッチにより全体的な体積変化が起こるという。

ジョージア工科大学ニュースセンターによると、主著者で大学院生のジャック・ルイスが率いるジョージア工科大学の研究チームは、シカゴ近郊にある米国エネルギー省科学局の施設であるアルゴンヌ国立研究所の放射光施設「アドバンスト・フォトン・ソース」で研究するために、幅約2ミリの特殊なテストセルを製作した。チームの4人のメンバーは、5日間の集中実験の間に電池構造の変化を研究した。

この装置は、さまざまな方向から画像を撮影し、コンピュータアルゴリズムを使って再構成して、電池の3D画像を提供する。バッテリーの充放電中にこの画像を撮影して、バッテリーの動作中にバッテリー内部がどのように変化しているかを可視化した。

リチウムは非常に軽いため、X線を使ってリチウムをイメージングすることは難しく、試験用電池セルの特別な設計が必要。アルゴンヌ大学で使用されている技術は、医療用コンピュータ断層撮影（CT）スキャンに使用されている技術に似ている。人を撮影するのではなく、電池を撮影していた。

電気自動車用の電池パックは、15万マイルの寿命が予測される中で、少なくとも1000回のサイクルに耐えなければならない。リチウム金属電極を備えた固体電池は、特定のサイズの電池に対してより多くのエネルギーを提供することができますが、同等の寿命を提供できない限り、その利点は既存の技術を克服することはできない。

ジョージア工科大学ニュースセンターによると、マクダウェルは「私たちは、固体電池の技術的な展望に非常に期待している。この分野には商業的にも科学的にも大きな関心があり、今回の研究から得られた情報は、この技術を幅広い商業応用に向けて前進させるのに役立つはずだ」と述べた。

参考文献

John A. Lewis, et al., “Linking Void and Interphase Evolution to Electrochemistry in Solid-State Batteries Using Operando X-Ray Tomography.” (Nature Materials, 2021) https://doi.org/10.1038/s41563-020-00903-2.

Image via Georgia Tech Univ.