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2024-08-21 20:05:34
バッテリーは実際には理論上の容量を下回り、場合によっては大幅に低下します。グラーツ工科大学の研究者は、リン酸鉄リチウムの正極において、容量損失が発生する場所を正確に観察できるようになりました。
リン酸鉄リチウムは、電気自動車、定置型エネルギー貯蔵システムおよびツールのバッテリーにとって最も重要な材料の1つです。耐用年数が長く、比較的安価で、自然発火しにくいという特徴があります。エネルギー密度も向上しています。しかし、専門家は、リン酸鉄リチウムバッテリーが実際には理論上の電気貯蔵容量を最大25％も下回る理由についてまだ困惑しています。この休眠中の容量の予備を活用するには、充電および放電サイクル中にリチウムイオンがバッテリー材料のどこにどのように貯蔵され、放出されるかを正確に知ることが重要です。グラーツ工科大学（TU Graz）の研究者たちは、この方向で大きな一歩を踏み出しました。透過型電子顕微鏡を使用して、バッテリー材料を通過するリチウムイオンを体系的に追跡し、リン酸鉄カソードの結晶格子内の配置を前例のない解像度でマッピングし、結晶内の分布を正確に定量化することができました。
バッテリー容量をさらに高めるための重要な手がかり
「私たちの調査では、テスト用バッテリーセルが完全に充電された場合でも、リチウムイオンはアノードに移動せずにカソードの結晶格子に留まることが分かりました。これらの不動イオンは容量の犠牲を強いることになります」とグラーツ工科大学電子顕微鏡およびナノ分析研究所のダニエル・クネズ氏は言う。不動のリチウムイオンはカソード内に不均一に分布している。研究者らは、リチウム濃縮度の異なるこれらの領域を正確に特定し、数ナノメートル単位でそれらを互いに分離することに成功した。遷移領域では、カソードの結晶格子に歪みや変形が見られた。「これらの詳細は、これまでバッテリー効率を阻害してきた物理的効果に関する重要な情報を提供し、材料のさらなる開発で考慮に入れることができます」と、この研究に深く関わった材料化学技術研究所のイリエ・ハンズ氏は言う。
他の電池材料にも応用可能な方法
研究者らは調査のために、充電および放電した電池の電極から材料サンプルを準備し、グラーツ工科大学の原子分解能ASTEM顕微鏡で分析した。電子エネルギー損失分光法と電子回折測定および原子レベルの画像化を組み合わせた。「さまざまな検査方法を組み合わせることで、リチウムが結晶チャネルのどこにあり、どのようにそこに到達するかを判断することができました」と、電子顕微鏡およびナノ分析研究所のニコラ・シミ氏は説明する。同氏は研究チームが最近、ジャーナル「電子顕微鏡およびナノ分析」に発表した研究結果に関する論文の筆頭著者である。 先進エネルギー材料「私たちが開発した方法とイオン拡散について得た知識は、わずかな調整を加えるだけで他のバッテリー材料にも応用でき、それらの特性をさらに正確に評価し、さらに開発を進めることができます。」
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