米国エネルギー省 (DOE) のアルゴンヌ国立研究所の研究者には、リチウムイオン電池の分野で先駆的な発見をしてきた長い歴史があります。これらの結果の多くは、NMC と呼ばれるバッテリーの正極、ニッケル マンガン、酸化コバルトに関するものです。このカソードを備えたバッテリーがシボレー ボルトに電力を供給します。
アルゴンヌの研究者は、NMC カソードで新たな進歩を遂げました。同チームの新しい小さなカソード粒子構造は、バッテリーの耐久性と安全性を高め、非常に高い電圧で動作し、より長い航続距離を提供できる可能性がある。
アルゴンヌ名誉フェローのカリル・アミン氏は、「電池メーカーが高圧の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得ることができた」と述べた。
「既存の NMC 正極は、高電圧作業にとって大きな障害となっています」と化学助手の Guiliang Xu 氏は述べています。充放電サイクルにより、カソード粒子に亀裂が形成されるため、性能が急速に低下します。何十年もの間、バッテリー研究者はこれらの亀裂を修復する方法を探してきました。
過去の 1 つの方法では、多数のより小さな粒子から構成される小さな球形の粒子が使用されていました。大きな球状粒子は多結晶であり、さまざまな配向の結晶ドメインがあります。その結果、科学者が粒子間に粒界と呼ぶものを形成し、サイクル中にバッテリーに亀裂が生じる可能性があります。これを防ぐために、Xu 氏と Argonne 氏の同僚は以前、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取り囲んでいます。
この種の亀裂を回避するもう 1 つの方法は、単結晶粒子を使用することです。これらの粒子の電子顕微鏡検査により、これらの粒子には境界がないことが示されました。
チームにとっての問題は、コーティングされた多結晶と単結晶で作られたカソードがサイクリング中に依然として亀裂を生じることでした。したがって、彼らは、米国エネルギー省アルゴンヌ科学センターの先進光子源 (APS) とナノマテリアルセンター (CNM) でこれらの正極材料の大規模な分析を実施しました。
5 つの APS アーム (11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C、および 34-ID-E) でさまざまな X 線分析を実行しました。電子顕微鏡やX線顕微鏡で観察したところ、科学者が単結晶だと思っていたものは、実際には内部に境界があることが判明した。 CNM の走査型および透過型電子顕微鏡検査により、この結論が確認されました。
「これらの粒子の表面形態を観察したところ、それらは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 線回折顕微鏡と呼ばれる技術やその他の技術を使用したところ、境界が内部に隠されていることがわかりました。」
重要なのは、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備えた小型セルを非常に高い電圧でテストしたところ、100 回のテスト サイクルにわたって実質的に性能が低下することなく、単位体積あたりのエネルギー貯蔵量が 25% 増加したことがわかりました。対照的に、多重界面の単結晶またはコーティングされた多結晶で構成される NMC カソードは、同じ寿命にわたって 60% から 88% の容量低下を示しました。
原子スケールの計算により、カソード容量減少のメカニズムが明らかになりました。 CNM のナノ科学者、マリア・チャン氏によると、バッテリーの充電時に境界から離れた領域に比べ、境界では酸素原子が失われる可能性が高くなります。この酸素の損失は細胞周期の劣化につながります。
「私たちの計算は、高圧で境界がどのように酸素の放出につながり、それがパフォーマンスの低下につながる可能性があるかを示しています」とチャン氏は述べた。
境界をなくすことで酸素の発生が防止され、それによってカソードの安全性とサイクル安定性が向上します。米国エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所にある APS と高度な光源を使用した酸素発生測定により、この結論が確認されました。
アルゴンヌ大学名誉フェローのカリル・アミン氏は、「電池メーカーが境界のない高圧で動作する正極材料を製造するために使用できるガイドラインができた」と述べた。 「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以外の正極材料にも適用されるべきです。」
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。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 5 つのナノテクノロジー研究センターのうちの 1 つであり、米国エネルギー省科学局の支援による学際的なナノスケール研究の主要な国内ユーザー機関です。 NSRC は共に、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一連の補完的な施設を形成しており、国家ナノテクノロジー イニシアチブにおける最大のインフラ投資を表しています。 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あります。 NSRC DOE の詳細については、https:// science .osti .gov/ User - F a c i lit ies / Us をご覧ください。えー、F a c i l it ie ie s - at -a Glance。
米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所にある先進光子源 (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、物性物理学、生命科学、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 線を提供します。これらの X 線は、材料や生物学的構造、元素の分布、化学的、磁気的、電子的状態、およびバッテリーから燃料噴射ノズルに至るあらゆる種類の技術的に重要な工学システムを研究するのに理想的であり、これらは我が国の経済と技術に不可欠です。 。そして身体 健康の基本。毎年、5,000 人以上の研究者が APS を使用して、他の X 線研究センターのユーザーよりも重要な発見を詳述し、より重要な生物学的タンパク質構造を解明する 2,000 冊以上の出版物を出版しています。 APS の科学者とエンジニアは、加速器と光源の性能を向上させるための基礎となる革新的な技術を導入しています。これには、研究者が高く評価する非常に明るい 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限に活用する機器、APS 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 に基づいて米国エネルギー省科学局のためにアルゴンヌ国立研究所が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、国内の科学技術の差し迫った問題の解決に努めています。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で最先端の基礎研究と応用研究を実施しています。アルゴンヌの研究者は、何百もの企業、大学、連邦、州、地方自治体の機関の研究者と緊密に連携して、特定の問題の解決、米国の科学的リーダーシップの向上、国家のより良い未来への備えを支援しています。 Argonne は 60 か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、物理科学における基礎研究を国内最大で推進しており、現代の最も差し迫った問題のいくつかに対処するため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。