研究者らは、リチウムイオンがバッテリー界面をどのように流れるかを初めて観察し、エンジニアが材料設計を最適化するのに役立つ可能性がある。 MIT、スタンフォード大学、SLAC National Accelerator、トヨタ研究所の研究者らは、重要な電池材料であるリン酸鉄リチウムの理解において画期的な進歩を遂げました。高度な X 線画像分析を使用して、材料の効率の変化がカーボン コーティングの厚さに関係していることを発見しました。この発見によりバッテリーの性能が向上する可能性がある。
MIT、スタンフォード大学、SLAC国立加速器研究所、トヨタ研究所の研究者チームは機械学習を利用して、バッテリーサイクル中にバッテリー電極のナノ粒子（左）に出入りするリチウムイオンのX線画像を再分析した。この画像の疑似カラーは各粒子の荷電状態を示し、個々の粒子内部の不均一なプロセスを明らかにします。画像ソース: Cube3D
MIT、スタンフォード大学、SLAC National Accelerator、トヨタ研究所の研究者らは、X 線画像データをマイニングすることにより、電気自動車のバッテリーやその他の充電式バッテリーに使用される材料であるリン酸鉄リチウムの反応性に関する重要な新発見を行いました。
この新技術により、リン酸鉄リチウムナノ粒子の異なる領域におけるリチウムインターカレーション反応速度の変化など、これまでに見られなかったいくつかの現象が明らかになった。
この論文の最も重要な実際的な発見は、これらの反応速度の変化が粒子表面の炭素コーティングの厚さの違いに関連しており、これによりそのような電池の充放電効率が向上する可能性があるということです。
MITの研究者らは、X線画像をマイニングすることで、電気自動車のバッテリーやその他の充電式バッテリーに使用される材料であるリン酸鉄リチウムの反応性について、新たな重要な発見をした。図の粒子の各ペアでは、実際の粒子が左側にあり、研究者がシミュレートした粒子が右側にあります。画像出典：研究者提供
インターフェース工学
「この研究から私たちが学んだことは、特に活物質のナノ粒子で作られた今日の最新のバッテリーにおいて、バッテリーのダイナミクスを実際に制御するのはインターフェースであるということです。」 Martin Bazant 氏は、この研究の上級著者であり、E.G.ルース MIT の化学工学教授および数学教授。
画像の複雑なパターンの背後にある物理学を発見するこの方法は、他の種類の電池だけでなく、発生中の胚の分裂細胞などの生物学的システムを含む、他の多くの材料を詳しく調べるためにも使用できます。
「この研究で最もエキサイティングなことは、パターンを形成しているシステムの画像を撮影し、そのパターンを支配する原則を学習できることだと思います」とバザント氏は語った。
共同研究
新しい研究の筆頭著者であるHongbo Zhao博士は、MITの大学院生であり、現在はプリンストン大学の博士研究員です。他の著者には、マサチューセッツ工科大学のエドウィン・R・ギリランド化学工学教授リチャード・ブラッツ氏、スタンフォード大学材料科学工学准教授でSLACスタンフォード電池センター所長のウィリアム・チューエ氏、トヨタ研究所のエネルギー・材料担当シニアディレクターのブライアン・ストーリー氏が含まれる。
「これまでは、作業中にバッテリーナノ粒子の美しいX線動画を作成することができましたが、動画は非常に有益だったので、ナノ粒子がどのように機能するかの微妙な詳細を測定して理解するのは困難でした」とChueh氏は述べた。 「これらのナノスケールの映画から画像学習することで、以前は得られなかった洞察を得ることができます。」
反応速度モデリング
リン酸鉄リチウム電池の電極は、電解液に囲まれた多数の小さなリン酸鉄リチウム粒子で構成されています。典型的な粒子は直径約 1 ミクロン、厚さ約 100 ナノメートルです。バッテリーが放電すると、イオンインターカレーションと呼ばれる電気化学反応を通じて、リチウムイオンが電解液から材料に流れ込みます。バッテリーが充電されると、インターカレーション反応が逆転し、イオンが逆方向に流れます。
「リン酸鉄リチウム（LFP）は、低コストで安全性が高く、豊富な元素を使用しているため、重要な電池材料です」とストーリー氏は述べた。 「電気自動車市場ではリン酸鉄リチウムの使用が増加しているため、この研究のタイミングはこれ以上にありません。」
この研究に先立って、バザントはリチウムイオンインターカレーション形成モードに関する広範な理論モデリングを行っていました。リン酸鉄リチウムは、リチウムイオンが詰まった状態または空の状態の 2 つの安定相のいずれかで存在することを好みます。 2005 年以来、Bazant は、相分離として知られるこの現象の数学的モデルに取り組んできました。この現象は、独特のリチウム イオンの流れパターンを生み出すインターカレーション反応によって引き起こされます。スタンフォード大学でサバティカル休暇中の 2015 年に、彼は Chueh 氏と協力して、走査型トンネル X 線顕微鏡によるリン酸鉄リチウム粒子の画像の解釈を試み始めました。
この顕微鏡を使用すると、研究者は粒子内のあらゆる点でのリチウムイオンの濃度をピクセルごとに示す画像を取得できます。充電または放電中に粒子を複数回スキャンして、リチウムイオンが粒子に出入りする様子のムービーを作成できます。
2017 年、SLAC のバザント氏と彼の同僚は、他のバッテリー関連の研究プロジェクトとともに、このアプローチを使用してさらなる研究を実施するためにトヨタ研究所から資金提供を受けました。
洞察と発見
研究者らは、充電および放電中の63個のリン酸鉄リチウム粒子のX線画像を分析したところ、材料内のリチウムイオンの動きがバザントが作成した以前のコンピューターシミュレーションとほぼ同じであることを発見した。研究者らは、180,000 ピクセルすべてを測定データとして使用して計算モデルをトレーニングし、バッテリー材料の非平衡熱力学と反応速度論を正確に記述する方程式を生成しました。
「内部のすべての小さなピクセルは、満杯から空へ、満杯から空へジャンプしています。私たちは、これがどのように起こるかを理解するために方程式を使用して、プロセス全体をマッピングしています」とバザント氏は述べました。
研究者らはまた、観察したリチウムイオンの流れパターンから、粒子表面の各位置でのリチウムイオンの吸収速度の空間的変化を明らかにできる可能性があることも発見した。
「画像を見て系の不均一性、この場合は表面の反応速度の変化を理解できることに本当に驚きました。非常に早く反応するように見える領域もあれば、非常にゆっくりと反応するように見える領域もあります」とバザント氏は語った。
さらに、研究者らは、これらの反応速度の違いが、リン酸鉄リチウム粒子の表面の炭素コーティングの厚さに関係していることを発見しました。リン酸鉄リチウムの炭素コーティングは電気の伝導を助けます。そうしないと、材料の電気の伝導が遅すぎて電池として使用できなくなります。
ナノスケールでは、カーボン コーティングの厚さの変化が導電性を直接制御します。これは、これらのモデリングと画像解析がなければ決して発見できなかったものです。この発見はまた、バザントが数年前に提案した仮説、つまりリン酸鉄リチウム電極の性能は、固体中のリチウムイオンの拡散速度ではなく、固体粒子と炭素コーティングの間の界面でのイオン電子移動の結合速度によって主に制限されるという仮説の定量的な裏付けとなる。
材料の最適化
この研究結果は、電極表面の炭素層の厚さを最適化することが、より効率的に動作する電池の設計に役立つことを示している、と研究者らは述べた。
これは、電池材料の特性をコーティングの物理的特性に直接結び付けることができた最初の研究です。バッテリーの最適化と設計の焦点は、電解質と電極の界面での反応速度を制御することです。
「この論文の出版は、6年間にわたる努力と協力の集大成である」とストーリー氏は語った。 「この技術により、これまで不可能だった方法で電池の内部の仕組みを明らかにすることができます。私たちの次の目標は、この新しい理解を適用して電池の設計を改善することです。」
この分析方法を他のバッテリー材料に使用することに加えて、バザント氏は、他の化学系および生物学的システムにおけるパターン形成の研究にも使用できると予想しています。