スタンフォード大学とSLAC国立加速器研究所の科学者らは、固体電解質リチウム金属電池の開発における短絡と故障の原因を特定した。これらの問題は、特に集中充電中の機械的ストレスによって発生します。この研究結果は電気自動車の将来に大きな影響を与える可能性があります。
電気自動車: 研究者が新しいタイプのバッテリーへの道を開く
研究論文の筆頭著者の一人であるウィリアム・チュエ氏は、「電池がわずかにへこんだり、曲がったり、ねじれたりしただけでも、材料にナノスケールの亀裂が開き、リチウムが固体電解質に浸透して短絡を引き起こす可能性がある」と説明する。 Nature Energy誌に発表されたチームを率いた。製造中に混入する粉塵やその他の汚染物質も、故障を引き起こす十分なストレスを引き起こす可能性があります。
固体電解質の破損の問題は十分に文書化されており、不注意な電子の流れから作用するさまざまな力まで、理論が多岐にわたります。エネルギー密度が高く、急速充電、長寿命、不燃性のリチウム金属電池は、電気自動車の普及に対する主要な障壁を克服する可能性を秘めています。
リアルタイムでの観測
現在の主要な固体電解質の多くはセラミックであり、リチウムイオンの迅速な輸送を可能にし、エネルギーを蓄える 2 つの電極を物理的に分離します。耐火性もあります。しかし、セラミックの表面には小さな亀裂が生じる可能性があり、研究者らは60以上の実験でそれを実証している。急速充電中にこれらの亀裂が開き、リチウムが侵入してバッテリーがショートする可能性があります。
研究チームは、電解質に電気プローブを取り付けて小型バッテリーを作成し、電子顕微鏡を使用して急速充電をリアルタイムで観察した。次に、イオンビームをメスとして使用して、リチウムがセラミック表面のある場所に集まり、他の場所に潜り始めて短絡を引き起こす理由を解明しました。
短絡の原因が特定されました
違いは圧力にあります。電気プローブがセラミック電解質に押し込まれ、押しつぶされたり、曲がったり、ねじれたりする機械的ストレスを模倣するため、バッテリーが短絡する可能性が高くなります。
実際の固体電池は、互いに積み重ねられたカソード、電解質、アノードのシートの層から構成されています。電解質は、正極と負極の間をリチウムイオンが自由に移動できるようにしながら、正極と負極を分離します。カソードとアノードが接触すると、短絡が発生します。
未来の電池の礎
研究者らは、小さな曲がり、ねじれ、または塵の斑点でさえ、目に見えない隙間を生じ、最終的にリチウムがカソードとアノードを接続し、電池が故障する可能性があることを示しました。
彼らの発見を考慮に入れると、将来的にはエラーがはるかに少ない電気自動車用バッテリーが設計される可能性があります。さらに、ロード時間も大幅に短縮される可能性があります。