ミシガン大学の研究でリーの亀裂が発見

ミシガン大学で行われた研究によると、リチウムイオン電池の正極の亀裂は単に有害であるだけでなく、電池の充電時間を短縮します。 これは、亀裂はバッテリーの寿命を縮めるため、亀裂を最小限に抑えようとする多くの電気自動車メーカーの見解に反するものです。 この研究に関するオープンアクセス論文は、RSC ジャーナル「Energy & Environmental Science」に掲載されています。

多結晶 Li(Ni,Mn,Co)O2 (NMC) 二次粒子は、リチウムイオン電池の最も一般的な正極材料です。 電気化学的（放電）充電中、リチウムはバルク全体に拡散し、表面の二次粒子に入る（離れる）と考えられています。 このモデルに基づくと、粒子が小さいほど、拡散距離が短くなり、表面積と体積の比が大きくなるため、サイクルが速くなります。 この研究では、神経科学の複数電極アレイを使用した新しい高スループットの単一粒子電気化学プラットフォームを開発することにより、この広範な仮定を評価します。 液体電解質中の 21 個の個々の粒子の反応時間と拡散時間を測定したところ、粒子サイズと反応時間または拡散時間の間に相関関係がないことがわかりました。これは、一般的なリチウム輸送モデルとはまったく対照的です。

おそらく亀裂への電解質の浸透により、二次粒子内部で電気化学反応が起こると考えられます。 当社のハイスループット単一粒子電気化学プラットフォームは、電気化学システムにおける個々の粒子の堅牢な統計的定量化のための新たな境地をさらに開きます。

サイズに依存しない反応および拡散時間の提案されたメカニズム(a)粒子レベルのリチウム輸送の標準モデルでは、リチウムが二次粒子の表面に入り、バルク内に拡散すると仮定しています。 結果として、有効拡散長は二次粒子径とともに増加します。(b)ミンら。 は、関連する長さスケール (rEffective) が二次粒子の半径よりもはるかに短く、二次粒子の直径とは独立していることを提案しています。 可能性の 1 つは、粒界亀裂により電解質が粒子に浸透することです。 ミンら。

研究チームは、この研究結果がすべての電気自動車用バッテリーの半分以上に当てはまると考えている。バッテリーの正極は、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できた数兆個の微細な粒子で構成されている。

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帯電するはずです。そのため、リチウムイオンが粒子を通って拡散する距離が短くなります。

しかし、従来の方法では、個々の正極粒子の充電特性を直接測定することはできず、電池の正極を構成するすべての粒子の平均値しか測定できませんでした。 この制限は、広く受け入れられている充電速度とカソード粒子サイズの関係が単なる仮定にすぎないことを意味します。

個々のカソード粒子の充電速度を測定することは、カソードの亀裂の利点を発見する鍵でした。 研究者らは、粒子を多重電極アレイに挿入することでこれを達成した。この装置は、神経科学者が個々の脳細胞がどのように電気信号を伝達するかを研究するために通常使用される装置である。

多電極アレイの設計と製作(a)高スループットの多電極アレイの概略図。 Au 微小電極は、500 nm の熱酸化物を備えたシリコン基板上にパターン化されています。 それぞれ約 1 mm の Au コンタクト パッドがアレイの境界にパターン化され、中央の微小電極に電気的に接続されます。(b)電極の光学画像。 チップには、2 つの大きな対向/参照電極と 62 個の小さな作用微小電極が含まれています。(c) NMC 粒子が集合した 4 つの作動微小電極の拡大画像。 各 Au 微小電極は 20 × 20 μm です。 Au ワイヤは 50 nm の窒化シリコンで不動態化されています。