米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所の研究者たちは、リチウムイオン電池の分野において長年にわたり先駆的な発見を続けています。これらの成果の多くは、ニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）と呼ばれる電池正極に関するものです。この正極を使用した電池は現在、シボレー・ボルトに搭載されています。
アルゴンヌ国立研究所の研究者たちは、NMC正極において新たなブレークスルーを達成しました。この研究チームが開発した新しい微小正極粒子構造により、バッテリーの耐久性と安全性が向上し、非常に高い電圧で動作し、航続距離を延ばすことができる可能性があります。
「私たちは現在、バッテリーメーカーが高圧で境界のない正極材料を製造するために使用できるガイドラインを持っています」とアルゴンヌ名誉フェローのカリル・アミン氏は言う。
「既存のNMC正極は、高電圧用途において大きな障害となっています」と、化学助手Guiliang Xu氏は述べています。充放電サイクルを繰り返すと、正極粒子に亀裂が生じ、性能が急激に低下します。数十年にわたり、電池研究者はこれらの亀裂を修復する方法を模索してきました。
過去には、多数の非常に小さな粒子からなる小さな球状粒子を使用する方法がありました。大きな球状粒子は多結晶であり、様々な配向の結晶領域を有しています。その結果、粒子間には科学者が粒界と呼ぶものが生じ、充放電中に電池に亀裂が生じる可能性があります。これを防ぐため、Xu氏とアルゴンヌ国立研究所の同僚たちは、各粒子の周囲に保護ポリマーコーティングを開発しました。このコーティングは、大きな球状粒子と、その中の小さな粒子を囲んでいます。
この種の亀裂を防ぐもう一つの方法は、単結晶粒子を使用することです。これらの粒子を電子顕微鏡で観察したところ、境界がないことが示されました。
研究チームにとっての問題は、コーティングされた多結晶および単結晶で作られたカソードが、充放電サイクル中に依然として亀裂を生じていたことだった。そこで研究チームは、米国エネルギー省アルゴンヌ科学センターの先端光子源（APS）とナノマテリアルセンター（CNM）において、これらのカソード材料の徹底的な分析を実施した。
5本のAPSアーム（11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C、34-ID-E）について、様々なX線分析を実施しました。電子顕微鏡およびX線顕微鏡で単結晶と考えられていたものが、実際には内部に境界を有していたことが判明しました。この結論は、CNMの走査型電子顕微鏡および透過型電子顕微鏡によって裏付けられました。
「これらの粒子の表面形態を観察すると、単結晶のように見えました」と物理学者のウェンジュン・リウ氏は語った。 「しかし、APS で同期加速器と呼ばれる技術やその他の技術を使用しているときに、内部で境界境界の通過が発見されました。」 「しかし、私たちは、同加速器と呼ばれる放射線微粒子の技術の使用中などに、境界の通過を発見しました。」「しかし、APSのシンクロトロンX線回折顕微鏡などの技術を使用すると、境界が内部に隠れていることがわかりました。」
重要なのは、研究チームが境界のない単結晶を製造する方法を開発したことです。この単結晶カソードを用いた小型セルを非常に高い電圧で試験したところ、100回の試験サイクルを経ても性能の低下はほとんどなく、単位体積あたりのエネルギー貯蔵量が25%増加しました。対照的に、多界面単結晶またはコーティングされた多結晶からなるNMCカソードは、同じ寿命期間で容量が60%から88%低下しました。
原子スケールの計算により、正極容量の低下メカニズムが明らかになりました。CNMのナノ科学者であるマリア・チャン氏によると、充電時に境界面は、そこから離れた領域よりも酸素原子を失う可能性が高くなります。この酸素の損失は、セルサイクルの劣化につながります。
「私たちの計算では、境界によって高圧下で酸素が放出され、性能低下につながる可能性があることが示されています」とチャン氏は述べた。
境界層を除去することで酸素発生が抑制され、正極の安全性とサイクル安定性が向上します。米国エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所のAPSと先進光源を用いた酸素発生測定により、この結論が裏付けられています。
「これで、バッテリーメーカーが境界のない高圧で作動するカソード材料の製造に使用できるガイドラインができました」とアルゴンヌ国立研究所名誉フェローのカリル・アミン氏は述べた。 「この意味は、NMC 以外の他の正極材料に適しています。」 「この意味は、NMC 以外の他の正極材料に適しています。」「NMC以外のカソード材料にもガイドラインを適用する必要があります。」
この研究に関する記事が Nature Energy 誌に掲載されました。 Xu、Amin、Liu、Chang に加えて、アルゴンヌの著者は Xiang Liu、Venkata Surya Chaitanya Kolluru、Chen Zhao、Xinwei Zhou、Yuzi Liu、Liang Ying、Amin Daali、Yang Ren、Wenqian Xu、Junjing Deng、Inhui Hwang、Chengjun Sun、Tao Zhou、Ming Du、Zonghai Chen です。ローレンス・バークレー国立研究所（Wanli Yang、Qingtian Li、Zengqing Zhuo）、アモイ大学（Jing-Jing Fan、Ling Huang、Shi-Gang Sun）、清華大学（Dongsheng Ren、Xuning Feng、Mingao Ouyang）の科学者。
アルゴンヌ・ナノマテリアルセンターについて ナノマテリアルセンターは、米国エネルギー省が擁する5つのナノテクノロジー研究センターの一つであり、同省科学局の支援を受ける学際的なナノスケール研究を行う、国内屈指のユーザー機関です。NSRCは、ナノスケール材料の製造、処理、特性評価、モデリングのための最先端の機能を研究者に提供する、相互に補完的な施設群を構成しており、国家ナノテクノロジー・イニシアチブ（NSI）における最大のインフラ投資となっています。NSRCは、アルゴンヌ、ブルックヘブン、ローレンス・バークレー、オークリッジ、サンディア、ロスアラモスにある米国エネルギー省の国立研究所に設置されています。 NSRC DOE の詳細については、https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​Glance をご覧ください。
米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所にある先端光子源（APS）は、世界で最も生産性の高いX線源の1つです。APSは、材料科学、化学、凝縮物質物理学、生命科学および環境科学、応用研究の多様な研究コミュニティに高強度X線を提供しています。これらのX線は、材料と生物学的構造、元素の分布、化学状態、磁気状態、電子状態、そしてバッテリーから燃料噴射ノズルまであらゆる種類の技術的に重要なエンジニアリングシステムを研究するのに最適です。これらは国家経済、技術、そして身体の健康の基礎に不可欠です。毎年、5,000人を超える研究者がAPSを使用して2,000件を超える出版物を発表し、重要な発見を詳述し、他のどのX線研究センターのユーザーよりも多くの重要な生物学的タンパク質構造を解明しています。APSの科学者とエンジニアは、加速器と光源の性能向上の基盤となる革新的な技術を実装しています。これには、研究者が重視する非常に明るい X 線を生成する入力デバイス、X 線を数ナノメートルに焦点を合わせるレンズ、研究対象のサンプルと X 線が相互作用する方法を最大化する機器、APS の発見の収集と管理が含まれます。研究では膨大な量のデータが生成されます。
この研究では、契約番号 DE-AC02-06CH11357 に基づき、アルゴンヌ国立研究所が米国エネルギー省科学局のために運営する米国エネルギー省科学局ユーザー センターである Advanced Photon Source のリソースを利用しました。
アルゴンヌ国立研究所は、国内の科学技術が抱える喫緊の課題の解決に尽力しています。米国初の国立研究所として、アルゴンヌは事実上あらゆる科学分野において最先端の基礎研究と応用研究を行っています。アルゴンヌの研究者は、数百もの企業、大学、そして連邦、州、地方自治体の機関の研究者と緊密に連携し、具体的な課題の解決、米国の科学におけるリーダーシップの向上、そしてより良い未来に向けた国家の発展を支援しています。アルゴンヌは60カ国以上から従業員を雇用しており、米国エネルギー省科学局傘下のUChicago Argonne, LLCによって運営されています。
米国エネルギー省科学局は、物理科学分野における基礎研究を米国最大規模で推進する機関であり、現代の最も喫緊の課題のいくつかに取り組んでいます。詳しくは、https://​energy​.gov/​science​ience をご覧ください。