科学者たちは何十年もの間、充電式バッテリーの電極に蓄積する避けられない膜が性能低下の原因であると信じてきました。しかし、米国での最近の研究では、実際にはパフォーマンス低下の背後には別の理由があることが判明しました。米国エネルギー省のパシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）の研究チームは、バッテリー電極上の苔状または樹木のような構造におけるリチウム金属の堆積物の蓄積は、性能低下の根本原因ではなく、むしろ副作用であることを発見した。
彼らの最新の研究結果は、最近『Nature Energy』誌に掲載されました。
彼らの結果は、いわゆる固体電解質界面（SEI）がこれまで考えられていたような電子絶縁体ではなく、半導体のように振る舞うことを示している。 SEI は保護者のように機能し、リチウムイオンがアノードに自由に出入りできるようにします。科学者たちは長い間、紙よりも薄いにもかかわらず、バッテリーの性能に大きな役割を果たすこのSEI層の研究に焦点を当ててきました。
SEI は、バッテリーがまだ新しいときの最初の充電サイクル中に形成され、理想的にはバッテリーの予想寿命の間安定した状態を保ちます。しかし、劣化した充電式バッテリーの内部を見ると、通常、負極に固体リチウムが大量に蓄積していることがわかります。バッテリーの研究者は、この蓄積が性能の低下につながると考えています。しかし、これまで原因と結果を測定することは不可能でした。
最新の研究では、実験システムで SEI の導電率を直接測定する新しい技術を開発することで、この問題を解決しました。研究チームは、透過型電子顕微鏡法と、顕微鏡内で微細加工された金属針のナノスケール操作を組み合わせた。次に研究者らは、4 種類の異なる電解質を使用して、銅またはリチウム金属上に形成された SEI 層の電気的特性を測定しました。
そうすることで、彼らはSEIが電池駆動でどのように機能するかについての長年の謎を解決した。研究チームの測定では、セル電圧が上昇すると、いずれの場合もSEI層が電子を漏洩し、半導体化することが判明した。さらに、SEI 層の炭素を含む有機成分は電子を漏洩しやすく、電池寿命を縮めます。
「導電率が高くなると、SEIが厚くなり、複雑な固体リチウムの形状が生じ、最終的に電池性能の低下につながります」と、PNNL研究所の研究者であり、この研究を共同主導した電池技術専門家のChongmin Wang氏は述べた。
この時点で、研究者らは、SEI 内の有機成分を最小限に抑えると電池寿命が長くなるだろうと結論付けました。
「SEIによる伝導率の小さな変化でさえ、効率とバッテリーサイクルの安定性に大きな違いをもたらす可能性があります」とWang氏は付け加えた。