科学者たちは何十年もの間、信頼性の高いリチウム金属電池の製造を試みてきました。 これらの高性能ストレージセルは、豊富なリチウムイオンの従兄弟よりも50％多いエネルギーを保持しますが、故障率が高く、火災や爆発などの安全上の問題により、商業化の取り組みが妨げられています。 研究者たちは、デバイスが故障する理由を仮定しましたが、直接的な証拠はまばらです。
現在、無傷のリチウム金属コイン電池（ボタン電池または時計電池とも呼ばれます）内でこれまでに撮影された最初のナノスケール画像は、一般的な理論に挑戦し、電気自動車などの将来の高性能電池をより安全で、より強力で、より長くするのに役立つ可能性があります持続します。
「リチウム金属用に調整されたセパレーター材料を使用する必要があることを学んでいます」と、リチウム金属電池の性能を改善するためにサンディア国立研究所のチームを率いる電池科学者のケイティ・ハリソンは言いました。
内部の副産物が蓄積し、バッテリーを殺します
チームは、電気自動車が充電するのと同じ高強度の電流でリチウムコイン電池を繰り返し充電および放電しました。 一部のセルは数サイクルを経ましたが、他のセルはXNUMXサイクルを超えました。 次に、セルは分析のためにオレゴン州ヒルズボロのサーモフィッシャーサイエンティフィックに送られました。
チームがバッテリーの内部の画像を確認したとき、彼らはバッテリーにまたがるリチウムの針状の堆積物を見つけることを期待していました。 ほとんどの電池研究者は、繰り返しのサイクル後にリチウムスパイクが形成され、アノードとカソードの間のプラスチックセパレーターを突き抜けて、短絡を引き起こすブリッジを形成すると考えています。 しかし、リチウムは軟質金属であるため、科学者はリチウムがどのようにセパレーターを通過できるかを理解していません。
ハリソンのチームは、驚くべきXNUMX番目の原因を発見しました。それは、バッテリーの内部化学反応の副産物として形成されたハードビルドアップです。 バッテリーが再充電されるたびに、固体電解質中間相と呼ばれる副産物が増加しました。 リチウムをキャップすると、セパレーターの穴が裂け、金属堆積物が広がり、ショートを形成するための開口部が作成されます。 一緒に、リチウム堆積物と副産物は以前に信じられていたよりもはるかに破壊的であり、針のようではなく除雪車のように機能しました。
「セパレーターは完全に細断されています」と研究者は言い、このメカニズムは、 電気自動車 テクノロジーですが、充電速度が遅くなることはありません。
サンディアの科学者がセパレーター材料を変更する方法について考えるとき、研究者は副産物の形成を減らすためにさらなる研究も必要であると言います。
科学者はレーザーと極低温学を組み合わせて「クールな」画像を撮影します
コイン電池の死因を特定することは驚くほど困難です。 問題はそのステンレス鋼のケーシングから来ています。 金属シェルは、X線などの診断が外部から見ることができるものを制限しますが、分析のためにセルの一部を取り除くと、バッテリーの層が裂けて、内部にある可能性のある証拠が歪められます。
「バッテリーのさまざまなコンポーネントを研究できるさまざまなツールがありますが、実際には、XNUMXつの画像ですべてを解決できるツールはありませんでした」と研究者は述べています。
研究者とその共同研究者は、レーザーを備えた顕微鏡を使用して、バッテリーの外側のケーシングを粉砕しました。 彼らはそれを華氏マイナス148度からマイナス184度（それぞれ摂氏マイナス100度とマイナス120度）の温度でセルの液体電解質を凍結状態に保つサンプルホルダーと組み合わせました。 レーザーは、狭い電子ビームが検出器に入射して跳ね返るのに十分な大きさの開口部を作成し、さまざまな材料を区別するのに十分な詳細を備えたバッテリーの内部断面の高解像度画像を提供します。
当時米国で唯一のそのようなツールであった元のデモンストレーション機器は、オレゴンのサーモフィッシャーサイエンティフィック研究所に建設され、現在も存在しています。 更新された複製がSandiaに存在するようになりました。 このツールは、多くの材料と故障解析の問題を解決するために、サンディア全体で広く使用されます。
