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で長年にわたり数々の先駆的な発見を成し遂げてきた。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材に関するものである。この正極材を用いた電池は、現在シボレー・ボルトに搭載されている。
アルゴンヌ国立研究所の研究者たちは、NMCカソードにおいて新たな画期的な成果を達成した。研究チームが開発した新しい微細なカソード粒子構造により、バッテリーの耐久性と安全性が向上し、非常に高い電圧での動作が可能になり、航続距離も長くなる可能性がある。
「私たちは今、電池メーカーが高圧下で境界のない正極材料を製造するために利用できる指針を持っています」と、アルゴンヌ国立研究所名誉研究員のカリル・アミン氏は述べています。
「既存のNMCカソードは、高電圧用途において大きな障害となっている」と、助教のGuiliang Xu氏は述べている。充放電サイクルを繰り返すと、カソード粒子に亀裂が生じるため、性能が急速に低下する。電池研究者たちは、何十年にもわたり、これらの亀裂を修復する方法を探し続けてきた。
従来用いられてきた方法の一つは、非常に小さな粒子を多数集めて作られた微小な球状粒子を用いるものであった。大きな球状粒子は多結晶性であり、結晶ドメインの配向が様々である。そのため、粒子間には科学者が「粒界」と呼ぶ境界が存在し、これが充放電サイクル中に電池のひび割れを引き起こす可能性がある。これを防ぐため、Xu氏とアルゴンヌ国立研究所の同僚らは、各粒子の周囲に保護ポリマーコーティングを施す技術を開発していた。このコーティングは、大きな球状粒子とその内部にあるより小さな粒子を包み込む。
このような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ある。これらの粒子を電子顕微鏡で観察したところ、境界が存在しないことがわかった。
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体や単結晶体から作られた正極が、充放電サイクル中に依然として亀裂を生じてしまうことだった。そこで彼らは、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）とナノ材料センター（CNM）で、これらの正極材料の詳細な分析を行った。
5つのAPSアーム（11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C、34-ID-E）に対して様々なX線分析を行った。電子顕微鏡およびX線顕微鏡で単結晶と思われていたものが、実際には内部に境界を持っていたことが判明した。CNMの走査型電子顕微鏡および透過型電子顕微鏡による観察で、この結論が確認された。
「これらの粒子の表面形態を調べたところ、単結晶のように見えました」と物理学者の劉文俊氏は述べた。 「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でシンクロトロンX線回折顕微鏡法などの技術を用いて調べたところ、境界は内部に隠されていることが分かりました。」
重要な点として、研究チームは境界のない単結晶を製造する方法を開発した。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、単位体積あたりのエネルギー貯蔵量が25%増加し、100回の試験サイクルにわたって性能低下はほとんど見られなかった。これに対し、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カソードでは、同じ寿命期間で容量が60%から88%低下した。
原子スケールでの計算により、正極容量低下のメカニズムが明らかになった。CNMのナノ科学者であるマリア・チャン氏によると、バッテリー充電時、境界部分はそこから離れた領域よりも酸素原子を失いやすいという。この酸素の損失が、セルサイクルの劣化につながる。
「我々の計算によると、境界部分で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。
境界層をなくすことで酸素発生が抑制され、カソードの安全性とサイクル安定性が向上する。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と高性能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た。
「これで、電池メーカーが境界のない、高圧下でも動作する正極材を製造するためのガイドラインができた」と、アルゴンヌ国立研究所名誉研究員のカリル・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。」「ガイドラインは、NMC以外の陰極材料にも適用されるべきである。」
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、米国エネルギー省のナノテクノロジー研究センター5つのうちの1つであり、米国エネルギー省科学局の支援を受けた、学際的なナノスケール研究のための国内有数のユーザー機関です。NSRCは、ナノスケール材料の製造、加工、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、相互補完的な施設群を形成しており、国家ナノテクノロジーイニシアチブの下で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国立研究所に所在しています。 NSRC DOE の詳細については、https://science.osti.gov/User-Facility/User-At-AGlance をご覧ください。
米国エネルギー省アルゴンヌ国立研究所の先端光子源（APS）は、世界で最も生産性の高いX線源の一つです。APSは、材料科学、化学、凝縮系物理学、生命科学、環境科学、応用研究など、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、材料や生物構造、元素分布、化学的・磁気的・電子的状態、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工学システムの研究に最適です。これらのシステムは、国家経済、技術、そして身体の健康の基盤にとって不可欠です。毎年、5,000人以上の研究者がAPSを利用して2,000件以上の論文を発表し、重要な発見を詳細に報告するとともに、他のどのX線研究センタ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、加速器や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、研究者が重宝する非常に明るいX線を生成する入力装置、X線を数ナノメートルまで集束させるレンズ、X線が研究対象のサンプルと相互作用する方法を最大化する装置、およびAPSの発見の収集と管理が含まれます。研究は膨大な量のデータを生成します。
本研究は、米国エネルギー省科学局のユーザーセンターであるアドバンスト・フォトン・ソースのリソースを利用しました。アドバンスト・フォトン・ソースは、アルゴンヌ国立研究所が米国エネルギー省科学局との契約番号DE-AC02-06CH11357に基づいて運営しています。
アルゴンヌ国立研究所は、国内の科学技術分野における喫緊の課題解決に尽力しています。米国初の国立研究所として、アルゴンヌはほぼすべての科学分野において最先端の基礎研究および応用研究を実施しています。アルゴンヌの研究者は、数百もの企業、大学、連邦政府、州政府、地方自治体の研究者と緊密に連携し、それぞれの課題解決、米国の科学的リーダーシップの強化、そしてより良い未来に向けた国家の発展に貢献しています。アルゴンヌには60カ国以上から職員が集まり、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国内最大規模で推進する機関であり、現代社会が抱える最も喫緊の課題の解決に取り組んでいます。詳細については、https://energy.gov/science.ience をご覧ください。