バッテリーは“呼吸”すると劣化する:充電喪失の新メカニズムを解明(Batteries Lose Charge When They ‘Breathe’)

2025-12-18 テキサス大学オースチン校

テキサス大学オースティン校と複数機関の研究チームは、電池の劣化原因を解明し、より長寿命で高性能な電池設計への道を開いた。リチウムイオン電池は、充放電サイクルごとに膨張・収縮を繰り返す「呼吸」現象が生じ、化学–機械的な損傷(chemomechanical degradation)として蓄積することで性能低下と寿命短縮を引き起こすことが分かった。このプロセスでは、電極内の粒子が不均一に動くため、局所的な応力やひずみが生じ、クラックや損傷の発生につながる。また「ひずみカスケード」と呼ばれるストレスの連鎖的伝播が見られた。研究チームは、最先端のリアルタイムX線イメージング技術を用いて電極粒子の挙動を観察し、これらのメカニズムを詳細に描き出した。得られた知見は、制御された圧力や新材料設計などの戦略により電池の耐久性を高める指針となる。こうした電池の設計改善は、スマートフォン・電気自動車から大型エネルギー貯蔵まで幅広い応用での性能向上に貢献する。

<関連情報>

層状インターカレーション電池正極における電極ひずみダイナミクス Electrode strain dynamics in layered intercalation battery cathodes

Tianxiao Sun, Guannan Qian, Ruqing Fang, Guibin Zan, […] , and Yijin Liu
Science  Published:18 Dec 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aea2763

Editor’s summary

Electrode deformation induced by internal strain accumulation represents a major failure mode in lithium-ion batteries. However, little is known about how local strain forms and evolves during battery operation. Sun et al. explored the strain dynamics in lithium-ion battery cathodes and identified substantial heterogeneity in the states of charge among electrode particles at the onset of operation, which induces local strain. Using optical flow mapping and grain-resolved synchrotron x-ray diffraction, the authors tracked particle behavior and revealed an intriguing coupling between charge transfer and particle motion. A larger out-of-plane deformation compared with the in-plane counterpart was also confirmed to be responsible for electrode wrinkling. —Jack Huang

Abstract

Rechargeable batteries using electrodes based on intercalation chemistry exhibit notable cyclability, yet their performance still suffers from chemomechanical degradation. In this study, by combining a suite of operando microscopy methods, we explored electrode strain evolution and observed intricate particle cluster rearrangement under electrochemical stimuli. We show that early-stage strain accumulation in intercalation cathodes occurs during the period of interparticle charge transfer and redox reactions stemming from asynchronous coupling and decoupling between chemical (de)intercalation and physical grain motion. This interplay drives heterogeneous redox activity, localized charge equilibration, and multiscale strain cascades that propagate through an asynchronous network of chemical-mechanical interactions. Together, these findings reveal how collective particle dynamics and hierarchical strain transmission dictate electrode deformation and degradation in intercalation cathodes.

0402電気応用
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