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ソリッドステートリチウムイオンバッテリーの厄介な故障モードの原因

テストされているリチウムイオンコイン細胞のバッチ。 |写真クレジット：UCL数学および物理科学の学部 科学者が報告しました 科学 ソリッドステートバッテリー（SSB）障害を固定するための鍵は、十分に文書化された機械的法則にある可能性があり、より長い運用寿命のために道を開いている可能性があります。バッテリーは、正のカソードと負のアノードの間に挟まれた電解質で構成されています。 「携帯電話のリチウムイオン電池を含むほとんどのバッテリーでは、この電解質は水中の塩に非常によく似た液体溶液であり、イオンは電極から前後に移動することができます」と、ベンガルールのインド科学研究所の准教授であるナガ・ファニ・Bは言いました。彼のチームは、SSBを開発しているインドのトップグループの1つです。バッテリーでは、イオンは電解質を自由に移動し、電子はカソードから外部回路を介してアノードに流れ、バッテリーを充電します。逆のプロセスでは、リチウム（li）アノードによって放出された電子は、外部回路を介してカソードに移動し、電源を供給します。バッテリーの内部では、対応するリチウムイオンは、排出中に電解質を介してカソードに走ります。「毛むくじゃらの根」SSB Li-ionバッテリーでは、セラミックブロックが電解質です。固体電解質は長持ちし、より多くのエネルギーを保存することができ、揮発性でも可燃性でもありません。それらの固体構造は、2つの電極をよく分離し、かさばる安全装置とその重量の必要性を減らします。現在、ペースメーカーとスマートウォッチはSSBを使用しています。裏側では、固体が割れる可能性があるため、固体電解質は体積の変化やより高い応力に耐えられないものです。これは、樹状突起の成長と呼ばれる持続的な問題を引き起こします。充電中にリオンはアノードにシャトルし、そこに堆積し、アノードにリチウムフィラメントを形成します。「中央の根から成長している毛むくじゃらの根を見たことがありますか？これは植物で起こり、栄養素を受け取る能力を最大化します」とAetukuri氏は言います。植物の根のように、アノードはできるだけ多くのイオンを吸収しようとします。 「SSBにおけるLIの樹状突起の成長は、その道を進む最も多くのLiイオンを受け取るアノードの能力を最大化します。」しかし、根が岩に浸透するように、樹状突起は電解質層に突き刺さり、カソードに到達し、短絡を作り出します。操作顕微鏡科学者は、そのような失敗を引き起こす実際の物理的メカニズムを知りません。現在、上海のンジ大学や他の機関の研究者は、答えが既知の機械的問題にあるかもしれないと述べています。金属材料は、周期的な荷重と荷降ろしにより疲労を起こします。疲労からの亀裂と骨折は、エンジニアリングの障害の80％以上を占めています。研究者たちは、金属として、バッテリーのLIアノードは複数の充電式充電サイクルから同様の損傷を受ける可能性があると推測しました。樹状突起は「顕微鏡的な特徴です。つまり、それらを視覚化するために顕微鏡が必要です。そして、それらが成長している間に見る必要があります。このために、科学者はOperando Scanning電子顕微鏡と呼ばれる手法を使用しています。「電子が小さな寸法で何が起こっているかを見ることができる光である特別な顕微鏡技術。」研究者は、この顕微鏡下でアノード電解質界面を観察し、コイン細胞を充電および排出したときの進化を監視しました。セルは最初は安定していましたが、30分後に顕微鏡的なボイドが勃発し、膨張し、雪だるま式になりました。電解質は最終的にスナップし、電流の量はセルが耐性になる可能性がある最大値のわずか10分の1であったにもかかわらず、セルは145サイクルで短絡した。前後に曲げた「一方向に小さな電流を適用すると、障害につながる可能性がありますが、充電と放電の繰り返しサイクルは、亀裂、スリップバンド、ボイドなどの構造的欠陥を形成する可能性があります」と論文と一緒に公開された解説が述べています。バッテリーが充電済み充電サイクルを経ると、Liはアノードから剥がれてから剥がされてから、陽極に及ぼす力の量を変更しました。「カッターを1回に使用してワイヤーをカットすることができます。カッターがない場合は、ワイヤーを何度も前後に曲げることができ、疲労のために数回後にワイヤーを壊すことができます」とAetukuri氏は言います。 「この作業は、低応力を複数回適用するのと同等の低速度でセルをサイクリングすることも、細胞障害につながる可能性があることを示しています。」「製造にはあまり変化することはありませんが、SSBの障害を予測するバッテリーモデルは、この作業により、はるかに洗練され、より正確になる可能性があります」とAetukuri氏は言います。研究者は、将来の研究では、Liのストレスとひずみの関係がサイクリング速度と温度によってどのように異なるかを調査する必要があると書いています。Unnati Asharはフリーランスの科学ジャーナリストです。 公開 - 2025年5月18日06:00 on #ソリッドステートリチウムイオンバッテリーの厄介な故障モードの原因