経年劣化した充電式リチウムイオン電池に形成される、絶縁体と思われる薄い堆積物を初めて直接測定したところ、驚くべき結果が判明した。つまり、堆積物は結局のところ完全な絶縁体ではないということだ。 米国エネルギー省の研究者らによると、 パシフィック·ノースウエスト国立研究所 (PNNL) によれば、固体電解質界面 (SEI) 層は、知られているように、代わりに電子が「漏れる」傾向があり、この発見は科学者がより長持ちする電池を開発するのに役立つ可能性があります。
SEI 層は、充電式バッテリーが初めて充電サイクルを経たときに形成され始めます。 時間の経過とともにこの層は徐々に厚くなり、その状態が電池の性能の安定性に関係していると考えられています。 以前、科学者たちはSEIが電気的に絶縁しているという仮説を立てていましたが、その正確な物理的性質（電気的挙動を含む）は、特徴づける直接的な方法がなかったため不明でした。
電池技術者が率いる研究者 ワン・チョンミン および 呉徐 彼らは現在、ナノスケールの銅プローブをバッテリーセルに直接埋め込み、銅またはリチウム上にSEI膜を成長させることで、この知識のギャップに取り組んでいます。 その後、彼らはフィルムを 現場の バイアス透過型電子顕微鏡を用いて電気的特性を測定した。
電子の漏れはバッテリーの寿命を縮める
その結果、バッテリーの電圧が上昇すると、SEI 層から電子が「漏れ」、バッテリーの寿命が短くなることがわかりました。 研究者らは、このこれまで観察されていない半導体のような挙動は主にSEI層の炭素含有成分によるものだと述べている。 この発見は、これらのコンポーネントを最小限に抑えるとバッテリーが長持ちすることを意味することを示唆しています。
これらの発見を裏付けるために、PNNL チームの協力者は、 テキサスA&M大学 (TAMU) は、リチウム金属電極の表面上の電解質の理論モデルを作成しました。 によって導かれて ホルヘ・セミナリオ および ペルラ・バルブエナその後、TAMU チームのメンバーは計算シミュレーションを使用して、電解質と電極の間の化学的および物理的相互作用がどのように SEI を形成させるかに焦点を当て、電解質がどのように化学的に進化するかを評価しました。
「広範な量子物理学技術を使用して、電解質配合物をテストし、その化学的性質と SEI 成長の形態を評価し、電流電圧特性を計算しました」とセミナリオ氏は説明します。 「理論的結果と実験的結果の両方が同じ傾向に従うという印象的な結果は、リチウム金属電池に使用する最適な電解質を決定する方法を提供します。」
実りある意見交換
バルブエナ氏は、彼らの結果により、第一原理に基づいて実験者の同僚に候補となる電解質を提案できるようになったと付け加えた。 逆に、実験チームが実験室でテストする前に、モデルを使用して代替材料の可能性を調査することもできます。 バルブエナ氏が「材料研究における実験化学と基礎理論の相乗効果」と呼ぶもののおかげで、チームの発見は、バッテリー、センサー、生物医学デバイス、ナノおよび分子エレクトロニクス、さらにはニューロモーフィック・コンピューティングの研究に応用できるはずだ。
リチウムイオン電池における重要な界面の出現を研究者が観察
セミナリオとバルブエナは事業拡大を計画している ab initio リチウムイオン電池のすべての成分を含む研究を行っており、電池のサイクル中に生じる劣化の影響を完全に解明できるように、分析を他の化学物質にも拡張する予定です。
Wangらは、SEI層内のさまざまな材料がどのように空間的に分布して相関しているのか、そしてそれが層の物理的特性にどのような影響を与えるのかを調査する予定だ。 「私たちはまた、SEI の特性と液体電解質の化学的性質との間の直接的な相関関係を確立し、より良い電池を製造するために電解質の組成を最適化することで SEI を調整することを目指します」と Wang 氏は語ります。 物理学の世界.
現在の研究は、 自然エネルギー.
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/leaky-insulating-layer-reduces-battery-lifetime/
