新しい論文では、機械的要因が固体電池のサイクルプロセスをどのように変化させるかをレビューしています

「私たちの目標は、バッテリーの性能における機構の重要性を強調することです」と ORNL のマルチフィジックス モデリングおよびフロー グループのスタッフ サイエンティストである Sergiy Kalnaus 氏は述べています。 「多くの研究は化学的または電気的特性に焦点を当てていますが、基礎となる機械的特性の解明を無視しています。」

チームは、コンピューティング、化学、材料科学など、ORNL の複数の研究分野にまたがっています。彼らは、より一貫した全体像を描くために、さまざまな科学的観点から SSB に影響を与えるさまざまな条件の包括的な研究を実施しました。 「私たちは分野間のギャップを埋めようとしているのです」とカルナウス氏は語った。

固体電解質: より安全で堅牢な代替品

バッテリー内では、荷電粒子が電解質と呼ばれる物質の中を流れます。電気自動車に搭載されているリチウムイオン電池のように、ほとんどの電解質は液体ですが、固体電解質も開発されています。これらの導体は通常、ガラスまたはセラミックで作られており、安全性や強度が高いなどの利点があります。

「真の全固体電池には、内部に可燃性の液体が入っていません」とカルナウス氏は述べた。 「これは、現在一般的に使用されている電池よりも危険性が低いことを意味します。」

しかし、これらの新しい材料が直面する課題のため、固体電解質はまだ開発の初期段階にあります。全固体電池のコンポーネントは、充電中や物質移動中に膨張および収縮し、システムを変化させます。電極は電池の動作中に変形し続け、固体電解質との界面に層間剥離や空隙が生じます。 「今日のシステムでは、最善の解決策は、すべてを一つに保つために多大な圧力をかけることです。

固体電解質は脆い材料でできているため、これらの寸法変化により固体電解質が損傷する可能性があります。緊張や圧力がかかると壊れることがよくあります。これらの材料の延性を高めることができれば、亀裂ではなく流動することで応力に耐えられるようになります。この動作は、セラミック電解質に小さな結晶欠陥を導入する多くの技術によって実現されます。

加工されたアノードと固体電解質

電子はアノードを通ってシステムから出ます。全固体電池では、エネルギー密度が最も高い純粋なリチウム金属からアノードを作ることができます。この材料はバッテリー電力の点で利点がありますが、電解質を損傷する可能性のある応力を引き起こす可能性もあります。

「充電プロセス中に、メッキの不均一性や応力緩和機構の欠如が応力集中を引き起こす可能性があります。これらの応力集中により大きな応力が生じ、リチウム金属の流動が引き起こされる可能性があります」とORNLの機械特性および力学グループのリーダー、エリック・ハーバート氏は述べています。 「固体電解質セパレータの性能と寿命を最適化するには、固体電解質セパレータが破損することなく界面の機械的安定性を維持できる次世代のアノードと固体電解質を設計する必要があります。」

チームの研究は、ORNL の SSB 材料研究の長い歴史の一部です。 1990 年代初頭に、研究室は酸化リン酸リチウム (LiPON) と呼ばれるガラス電解質を開発しました。リチウムリン酸化物は、金属リチウムアノードを備えた薄膜電池の電解質として広く使用されています。このコンポーネントは、主に LiPON の延性により、故障することなく複数回の充放電サイクルに耐えることができます。機械的ストレスにさらされると、亀裂ではなく流動します。

「近年、我々はLiPONがその化学的および電気化学的耐久性を補う強力な機械的特性を持っていることを知りました」とこの材料を開発したチームを率いたORNLの科学者ナンシー・ダドニーは述べた。

研究チームの取り組みは、SSBの寿命と有効性に影響を与える要因の理解という、SSBの十分に研究されていない側面を浮き彫りにしている。 「科学界にはロードマップが必要だ」とカルナウス氏は語った。私たちの論文では、固体電解質の材料力学の概要を示し、科学者が新しい電池を設計する際にこれらの要素を考慮することを奨励します。 」

参考文献「固体電池: メカニックの重要な役割」、Sergiy Kalnaus、Nancy J. Dudney、Andrew S. Westover、Erik Herbert、Steve Hackney 著、2023 年 9 月 22 日、Science。

DOI:10.1126/science.abg5998

コンパイルされたソース: ScitechDaily