バッテリー故障の常識を覆す研究成果(Research upturns assumptions about battery failure)

2025-12-16 シカゴ大学

シカゴ大学プリツカー分子工学部(UChicago PME)とアルゴンヌ国立研究所の共同研究チームは、リチウムイオン電池の故障機構に関する従来の想定を覆す新たな知見を発表した。一般的に電池の劣化や寿命短縮は多結晶カソード材料の粒界に起因すると考えられてきたが、単結晶型ニッケルリッチ酸化物(SC-NMC)でも予想以上の劣化が観測されていた。今回の研究では、単一結晶内で異なる反応率が生じる不均一な反応が主な劣化・亀裂発生の原因であることを、シンクロトロンX線や高解像度透過電子顕微鏡によって明らかにした。さらに、コバルトやマンガンの組成が機械的失敗に与える影響が従来見積もりと異なることを示し、高性能で安全性の高い電池材料設計には新しい設計戦略が必要であることを示唆している。この成果は、電気自動車やエネルギー貯蔵システムの寿命延長・安全性向上に向けた材料開発の指針を提供する。

<関連情報>

単結晶電池正極におけるナノスケールのひずみ変化 Nanoscopic strain evolution in single-crystal battery positive electrodes

Jing Wang,Tongchao Liu,Weiyuan Huang,Lei Yu,Haozhe Zhang,Tao Zhou,Tianyi Li,Xiaojing Huang,Xianghui Xiao,Lu Ma,Martin V. Holt,Kun Ryu,Rachid Amine,Wenqian Xu,Luxi Li,Jianguo Wen,Ying Shirley Meng & Khalil Amine
Nature Nanotechnology  Published:16 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9

バッテリー故障の常識を覆す研究成果(Research upturns assumptions about battery failure)

Abstract

Single-crystal Ni-rich layered oxides (SC-NMC) with a grain-boundary-free configuration have effectively addressed the long-standing cracking issue of conventional polycrystalline Ni-rich materials (PC-NMC) in lithium-ion batteries, prompting a shift in optimization strategies. However, continued reliance on anisotropic lattice volume change—a well-established failure indicator in PC-NMC—as a metric for understanding strain and guiding compositional design for SC-NMC becomes controversial. Here, by leveraging multiscale diagnostic techniques, we unravelled the distinct nanoscopic strain evolution in SC-NMC during battery operation, challenging the conventional composition-driven strategies and mechanical degradation indicators used for PC-NMC. Through particle-level chemomechanical analysis, we reveal a decoupling between mechanical stability and lattice volume change in SC-NMC, identifying that structural instability in SC materials is primarily driven by multidimensional lattice distortions induced by kinetics-driven reaction heterogeneity and progressively deactivating chemical phases. Using this mechanical failure mode, we redefine the roles of cobalt and manganese in maintaining mechanical stability. Unlike cobalt’s detrimental role in PC-NMC, we find cobalt to be critical in enhancing the longevity of SC-NMC by mitigating localized strain along the extended diffusion pathway, whereas manganese exacerbates mechanical degradation.

0402電気応用
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