充電および放電中にリチウムイオンがバッテリー電極に出入りすると、わずかな酸素が染み出し、バッテリー&＃39;の電圧（供給されるエネルギー量の尺度）も同様にわずかに減衰します。 損失は時間の経過とともに増大し、最終的にはバッテリー&＃39;のエネルギー貯蔵容量を10〜15％節約する可能性があります。
現在、研究者はこの超低速プロセスを前例のない詳細で測定し、酸素原子を逃れることによって残された穴または空孔が電極の構造と化学的性質をどのように変化させ、蓄積できるエネルギー量を徐々に減らしているかを示しています。
結果は、科学者がこのプロセスについて行ったいくつかの仮定と矛盾し、それを防ぐために電極を設計する新しい方法を示唆する可能性があります。
エネルギー省&＃39;のSLAC国立加速器研究所とスタンフォード大学の研究チームは、今日のネイチャーエナジーでの彼らの仕事について説明しました。
& quot;数百サイクルにわたって、非常にゆっくりと、非常にわずかな程度の酸素が滴り落ちるのを測定することができました。& quot; スタンフォード大学の博士課程の学生で、ウィル・チュエ准教授と実験に取り組んだピーター・セルニカは言った。" &＃39;が非常に遅いという事実も、検出を困難にした原因です。"
双方向ロッキングチェア
リチウムイオン電池はロッキングチェアのように機能し、一時的に電荷を蓄える2つの電極間でリチウムイオンを前後に動かします。 理想的には、これらのイオンは、各電極を構成する数十億のナノ粒子に出入りする唯一のものです。 しかし、研究者たちは、リチウムが前後に移動するときに酸素原子が粒子から漏れ出すことを以前から知っていました。 これらのリークからの信号が小さすぎて直接測定できないため、詳細を特定するのは困難でした。
& quot;バッテリーの充電と放電の500サイクルにわたる酸素漏れの総量は、6％です。& quot; セルニカは言った。"その&＃39;はそれほど少ない数ではありませんが、各サイクル中に出てくる酸素の量を測定しようとすると、&＃39;の約100分の1です。パーセント。"
この研究では、研究者は、酸素損失が粒子の化学的性質と構造をどのように変更するかを調べることによって、代わりに間接的に漏れを測定しました。 彼らは、最も小さなナノ粒子からナノ粒子の塊、電極の全厚まで、いくつかの長さスケールでプロセスを追跡しました。
&＃39;電池が作動する温度で固体材料内を酸素原子が動き回るのは非常に難しいため、酸素漏れはナノ粒子の表面からのみ発生するという従来の知識がありましたが、これは議論の余地がありました。
&＃39;の状況を詳しく調べるために、研究チームはバッテリーをさまざまな時間サイクルさせ、分解し、電極ナノ粒子をスライスして、ローレンスバークレー国立研究所&＃39;で詳細に調べました。 ■高度な光源。 そこでは、特殊なX線顕微鏡がサンプル全体をスキャンし、高解像度の画像を作成し、各小さなスポットの化学的構成を調べました。 この情報をプチコグラフィーと呼ばれる計算技術と組み合わせて、10億分の1メートル単位で測定されたナノスケールの詳細を明らかにしました。
一方、SLAC &＃39;のスタンフォードシンクロトロン光源では、チームは電極全体を通してX線を撮影し、ナノスケールレベルで見たものがはるかに大きなスケールでも真実であることを確認しました。
バースト、そしてトリクル
実験結果を酸素損失がどのように発生するかについてのコンピューターモデルと比較して、チームは、酸素の最初のバーストが粒子の表面から逃げ、続いて内部から非常にゆっくりと滴り落ちると結論付けました。 ナノ粒子が一緒に集まって大きな塊を形成した場合、塊の中心近くのナノ粒子は、表面近くのナノ粒子よりも酸素の損失が少なかった。
もう1つの重要な質問は、酸素原子の損失がそれらが残した材料にどのように影響するかということです。"その&＃39;は実際には大きな謎です、& quot; 彼は言った。"ナノ粒子の原子が最密球のようだと想像してみてください。 酸素原子を取り出し続けると、構造が密集したままになるのが好きなので、全体が崩壊して高密度化する可能性があります。"
電極&＃39;の構造のこの側面を直接画像化することができなかったため、科学者は再び他のタイプの実験的観察をさまざまな酸素損失シナリオのコンピューターモデルと比較しました。 結果は、空孔が持続することを示しており、材料が崩壊して緻密化することはなく、それらがバッテリー&＃39;の漸減にどのように寄与するかを示唆しています。
& quot;酸素が出ると、周囲のマンガン、ニッケル、コバルト原子が移動します。 すべての原子は理想的な位置から踊っています、& quot; チューは言った。"この金属イオンの再配列は、酸素の不足によって引き起こされる化学変化とともに、時間の経過とともにバッテリーの電圧と効率を低下させます。 人々はこの現象の側面を長い間知っていましたが、そのメカニズムは不明でした。"
今、彼は言った、& quot;私たちはこの科学的なボトムアップの理解& quot;を持っています。 バッテリーの劣化のこの重要な原因の、酸素損失とその有害な影響を軽減する新しい方法につながる可能性があります。
