鍾乳石、石筍、そして長持ちするバッテリー

全固体電池は、電気自動車での使用を含め、将来的に多くの利点を提供する可能性があります。 クレジット: Xue Zhang / MPI-P

画期的な研究により、寿命が大幅に延びたバッテリーへの道が開かれる可能性があります。

電気自動車、携帯電話、コードレス電動工具などの多くの日常機器は現在、充電式バッテリーに依存しています。 ただし、この成長傾向には特定の課題が伴います。 例えば、一部の携帯電話は安全上の懸念から飛行機内での使用が禁止されており、一部の電気自動車は発火したと報告されている。 これは主に、現代の市販リチウムイオン電池が機械的ストレスに敏感であるためです。

これらの問題に対する新たな解決策として、「全固体電池」の使用が考えられます。 これらのバッテリーは、電解質として知られる液体コアをセラミックイオン伝導体のような完全な固体材料で置き換えることにより、標準から逸脱しています。 その結果、機械的に頑丈で、不燃性であり、小型化が容易で、温度変動に強いなど、多くの利点があります。

しかし、全固体電池は、数回の充放電サイクル後に問題が発生します。電池の正極と負極は、最初はまだ互いに電気的に分離されていますが、最終的には内部電池プロセスによって互いに電気的に接続されます。 「樹状突起」はバッテリー内でゆっくりと成長します。 これらのリチウム樹枝状結晶は、2 つの極が接続されるまで、各充電プロセス中に段階的に成長します。 その結果、バッテリーがショートして「消滅」します。しかし、これまでのところ、このプロセスで起こる正確な物理的プロセスはまだ十分に理解されていません。

ハンス・ユルゲン・ブット氏の部門のリュディガー・ベルガー氏が率いるチームは現在、この問題に取り組み、特別な顕微鏡法を使用してプロセスをより詳細に調査している。 彼らは、リチウム樹枝状結晶がどこで成長し始めるかという問題を調査しました。 それはフローストーンの洞窟のようなもので、鍾乳石が天井から、石筍が床から成長し、それらが真ん中で結合していわゆる「石筍」を形成するようなものでしょうか? バッテリーには上下はありませんが、樹状突起はマイナス極からプラス極へ、またはプラス極からマイナス極へ成長するのでしょうか? それとも両極から均等に成長するのでしょうか？ それとも、バッテリー内に核形成とそこからの樹枝状成長につながる特別な場所があるのでしょうか?

リュディガー・ベルガー氏のチームは、セラミック固体電解質のいわゆる「粒界」に特に注目した。 これらの境界は、固体層の製造中に形成されます。セラミックの結晶内の原子は、基本的に非常に規則的に配置されています。 しかし、結晶成長における小さなランダムな変動により、原子が不規則に配置された線状の構造、いわゆる「粒界」が形成されます。

これらの粒界は、鋭い先端で表面をスキャンする顕微鏡法「ケルビンプローブ力顕微鏡」で見ることができます。 リュディガー・ベルガー氏とともに研究している博士課程の学生チャオ・ズー氏は、「固体電池が充電されている場合、ケルビンプローブ力顕微鏡では、電子が粒界に沿って、特に陰極付近に蓄積していることがわかります。」と述べています。 後者は、粒界がセラミックスの原子の配置を変化させるだけでなく、その電子構造も変化させることを示しています。

電子、つまり負の粒子の蓄積により、固体電解質中を移動する正に帯電したリチウムイオンは金属リチウムに還元される可能性があります。 その結果、リチウムが堆積し、リチウム樹枝状結晶が形成されます。 充電プロセスが繰り返されると、樹状突起は成長し続け、最終的にバッテリーの極が接続されます。 このようなデンドライト成長の初期段階の形成は陰極でのみ観察され、またこの極でのみ観察されました。 反対側の正極では成長は観察されなかった。

科学者らは、成長プロセスを正確に理解することで、陰​​極での成長を防ぐ、または少なくとも制限する効果的な方法を開発できるようになり、将来的にはより安全なリチウム固体電池が産業用にも使用できるようになることを期待している。ブロードバンドアプリケーション。

参考：「Li におけるリチウム樹枝状結晶の進化を理解する」_6.25アル_0.25ラ₃ジル₂○₁₂ 「オペランド顕微鏡技術による粒界」Chao Zhu、Till Fuchs、Stefan AL Weber、Felix著。 H. リヒター、グンナー・グラッサー、フランホ・ウェーバー、ハンス＝ユルゲン・ブット、ユルゲン・ヤネク、リュディガー・ベルガー、2023 年 3 月 9 日、