新しい正極の設計により、リチウムイオン電池の性能向上への大きな障壁を解消(New cathode design solves major barrier to better lithium-ion batteries)

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電極粒子のバウンダリーフリー構造により、電池寿命を低下させる反応を排除。 Boundary-free structure for electrode particles eliminates reactions that diminish battery life.

2022-09-08 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

アルゴンヌの研究者たちは、NMC(ニッケルマンガンコバルト酸化物)正極について、新たなブレークスルーを遂げた。この研究チームが開発した正極のマイクロサイズ粒子の新しい構造は、超高電圧で動作し、より長い走行距離の自動車に電力を供給できる、より長持ちし安全な電池につながる可能性がある。
粒子間に「粒界」と呼ばれる現象が発生し、これが電池のサイクル時にクラックの原因となる。これを防ぐため、研究者たちは、各粒子の周囲に保護用のポリマーコーティングを施す方法を開発した。
コーティングされた多結晶体でも単結晶体でも、サイクルを繰り返すとクラックが発生するという問題があった。
APSの5つのビームライン(11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C、34-ID-E)でさまざまなX線分析が行われた。その結果、電子顕微鏡やX線顕微鏡で単結晶と思われていたものが、実は内部に境界があることが判明した。CNMの走査型電子顕微鏡と透過型電子顕微鏡で検証したところ、この発見を裏付けることができた。
単結晶正極を用いた小型セルを超高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サイクルの試験で性能の低下がほとんど見られなかった。一方、内部境界の多い単結晶やコーティングされた多結晶からなるNMCカソードでは、同じサイクル寿命で容量が60%〜88%低下した。
原子レベルでの計算により、正極の容量低下のメカニズムが明らかになった。

<関連情報>

高電圧電池正極における酸素酸化還元不安定性の起源とその制御 Origin and regulation of oxygen redox instability in high-voltage battery cathodes

Xiang Liu,Gui-Liang Xu,Venkata Surya Chaitanya Kolluru,Chen Zhao,Qingtian Li,Xinwei Zhou,Yuzi Liu,Liang Yin,Zengqing Zhuo,Amine Daali,Jing-Jing Fan,Wenjun Liu,Yang Ren,Wenqian Xu,Junjing Deng,Inhui Hwang,Dongsheng Ren,Xuning Feng,Chengjun Sun,Ling Huang,Tao Zhou,Ming Du,Zonghai Chen,Shi-Gang Sun,Maria K. Y. Chan,Wanli Yang,Minggao Ouyang & Khalil Amine
Nature Energy  Published02 June 2022
DOIhttps://doi.org/10.1038/s41560-022-01036-3

extended data figure 1

Abstract

Oxygen redox at high voltage has emerged as a transformative paradigm for high-energy battery cathodes such as layered transition-metal oxides by offering extra capacity beyond conventional transition-metal redox. However, these cathodes suffer from voltage hysteresis, voltage fade and capacity drop upon cycling. Single-crystalline cathodes have recently shown some improvements, but these challenges remain. Here we reveal the fundamental origin of oxygen redox instability to be from the domain boundaries that are present in single-crystalline cathode particles. By investigating single-crystalline cathodes with different domain boundaries structures, we show that the elimination of domain boundaries enhances the reversible lattice oxygen redox while inhibiting the irreversible oxygen release. This leads to significantly suppressed structural degradation and improved mechanical integrity during battery cycling and abuse heating. The robust oxygen redox enabled through domain boundary control provides practical opportunities towards high-energy, long-cycling, safe batteries.

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