MITの研究者が、より小型軽量の電池を作るための樹状突起の謎を解明

マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者によって行われたデンドライトに関するブレークスルーは、最終的に、既存のモデルよりも安全で、軽量で、コンパクトな新しいタイプの再充電可能なリチウム電池の構築への道を開く可能性があります。年。

正極と負極の間の液体電解質をかなり薄くて軽い固体セラミック材料の層に置き換えることと、一方の電極を固体リチウム金属に置き換えることは、バッテリー技術におけるこの将来の進歩の XNUMX つの重要な要素です。これらの変更を行うことにより、バッテリーの全体的なサイズと重量が大幅に削減され、安全上のリスクをもたらす可燃性の液体電解質が排除されます。しかし、樹状突起はその追求における重大な障害であることが証明されています。

デンドライトは、リチウム表面に蓄積し、固体電解質を貫通し、最終的に一方の電極から他方の電極に交差してバッテリーセルを短絡させる可能性のある金属の成長です。彼らの名前はラテン語の枝から来ています。これらの金属フィラメントの原因や発生を防ぐ方法についての理解はあまり進んでおらず、軽量の全固体電池は問題のある代替品となっています。

　新しい研究何が樹状突起の成長を引き起こすのかという疑問に答えているようで、最近ジャーナルに掲載されました ジュール MIT 教授の Yet-Ming Chiang、大学院生の Cole Fincher、および MIT と Brown 大学の他の XNUMX 人の研究者によるものです。また、デンドライトが電解質を貫通するのをどのように阻止できるかを示しています。

チェンによれば、以前の研究でチームによって「驚くべき、予想外の」発見がなされた.それは、リチウムイオンが固体電池で使用される硬い固体電解質材料を貫通できるということであった.充放電中のバッテリーの両側。

電極の体積は、イオンの往復運動の結果として変化します。間に挟まれた両方の電極と完全に接触し続けなければならない固体電解質は、結果として必然的に応力を受けます。

「この金属を堆積させるには、新しい質量を追加するため、体積を拡張する必要があります」とチェン氏は言います。「そのため、リチウムが堆積されているセルの側面で体積が増加しています。微視的な欠陥さえあれば、それらの欠陥に圧力がかかり、ひび割れを引き起こす可能性があります。」

チームは現在、これらの力が樹状突起の形成を可能にする裂け目の原因であることを実証しました. 理想的な方向に、理想的な量の電力で余分な応力を加えることが、問題の解決策であることがわかりました。

チームの調査結果は、機械的ストレスが問題の原因であることを示しています。以前は、一部の研究者は、デンドライトは機械的プロセスではなく、電気化学的プロセスのみによって形成されると信じていました。

Fincher は、透明な電解質を使用して薄いセルを作成する方法を開発し、プロセス全体を即座に監視および記録できるようにしました。デンドライトの生成プロセスは通常、バッテリーセルの不透明な材料の奥深くで行われ、直接観察することはできません。

「システムに圧力をかけると何が起こるかを見ることができ、樹状突起が腐食プロセスまたは破壊プロセスに見合った方法で動作するかどうかを確認できます」と彼は言います.

圧力を加えたり解放したりすることで、研究者は樹状突起の成長を直接制御できることを明らかにし、樹状突起を力に完全に合わせてジグザグに動かした.

デンドライトの形成は、固体電解質に機械的な力を加えることによって妨げられることはありませんが、そうすることによって管理されます。これは、XNUMX つの電極と平行に保ち、反対側に交差しないようにすることで、無害にできることを意味します。

材料は、試験のために片端におもりを付けてビーム形状に曲げられ、材料を曲げることによって圧力が生成されました。しかし、彼らは、実際には必要な応力を生成するためのさまざまな手法が存在する可能性があると主張しています. 特定のサーモスタットの場合と同様に、電解質は、たとえば、熱膨張率が異なる XNUMX 層の材料を使用して作成でき、その結果、材料に固有の曲がりが生じます。

別の戦略は、注入された原子で材料を「ドープ」することです。これにより、不可逆的な歪みと張力が発生します。チェン氏によると、これは、スマートフォンやタブレットの画面に表示される超硬質ガラスの製造に使用されるのと同じプロセスです。

さらに、必要な圧力は過剰ではありません。実験では、デンドライトは 150 ～ 200 メガパスカルの圧力では電解質を横切ることができないことが示されました。必要な圧力は、「商業的な膜成長プロセスや他の多くの製造プロセスで一般的に誘発される応力に見合ったもの」であるため、実際に実装するのは難しくないはずだとフィンチャー氏は付け加えた.

実際、スタック圧力として知られる別のタイプの応力は、基本的にバッテリーのプレートに垂直な方向に材料を圧迫することによって、バッテリーセルに頻繁に加えられます。これは、層が分離するのを防ぐのに役立つはずでした. しかし、現在の研究では、その方向の圧力が実際にデンドライトの形成を悪化させることが示されています. 「このタイプのスタック圧力が、実際にデンドライトによる破損を加速することを示しました」と Fincher 氏は言います。

代わりに必要なのは、サンドイッチが側面から圧迫されているかのように、プレートの平面に沿った圧力です。「この研究で私たちが示したのは、圧縮力を加えると、樹状突起を圧縮の方向に移動させることができるということです」とフィンチャーは言い、その方向がプレートの平面に沿っている場合、樹状突起は「決して反対側には行かない。」

最終的には、金属リチウム電極と固体電解質を備えたバッテリーの製造が可能になるかもしれません。これらは、特定の体積と重量に対してより多くのエネルギーを含むだけでなく、可燃性の液体電解質の必要性も排除します.

関連する基本原理を実証したので、チームの次のステップは、機能するプロトタイプバッテリーの作成にこれらを適用し、そのようなバッテリーを大量に生産するために必要な製造プロセスを正確に把握することであると、Chiang 氏は言います。

彼らは特許を申請しているが、全固体電池の開発に取り組んでいる企業がすでに存在するため、研究者はシステム自体を商業化する予定はないと彼は言う. 「これは全固体電池の故障モードの理解であり、業界が認識し、より良い製品を設計するために使用する必要があると私たちは信じています」と彼は言います.

研究チームには、ブラウン大学の Christos Athanasiou と Brian Sheldon、MIT の Colin Gilgenbach、Michael Wang、W. Craig Carter が含まれていました。この作業は、米国国立科学財団、米国国防総省、米国国防高等研究計画局、および米国エネルギー省によって支援されました。

善良なチェン教授と彼のチームは樹状突起の謎を解決したかもしれませんが、過去数年間、樹状突起の問題を解決すると主張する研究チームがいくつかありました. スティーブ・ハンリー CleanTechnica 昨年、シンガポールの研究者グループを取り上げました。彼らは厄介なリチウムイオン電池のデンドライトを手なずける方法を知っていると主張する」それは有望に見えましたが、それ以来何も聞いていません。

機能するプロトタイプのバッテリーを作成する研究の次の段階では、研究にさらに光を当てます。そして、大量生産と商業競争力という二重の課題があります。研究チームのすべてが期待通りに進んだ場合、この新しいデザインが数年のうちに市場に出回る可能性があります.

写真提供：マサチューセッツ工科大学（MIT）