シリコン陽極の劣化を画像化する新しい方法により、より優れた二次電池の実現が期待される

研究者らは、シリコンの構造と化学進化を特徴付ける新しい方法、および電池の安定性を制御する薄層が、大容量電池でのシリコンの使用を妨げる問題の解決に役立つ可能性があると示唆している。

研究の焦点は、アノードと別の電極 (カソード) の間での電荷の移動を可能にする、アノード、負極、および電解質の間の界面にあります。固体電解質界面 (SEI) 層は、通常、固体電極と液体電解質の間の電極表面に形成されます。これは、電池の電気化学反応と電池の安定性の制御にとって重要です。シリコンをアノードとして使用すると、より優れた二次電池を実現できます。

過去 10 年間、シリコンは二次電池用の高容量負極として大きな注目を集めてきました。工学科学・力学バイオテクノロジーのZhang Sulin教授は、現在市販されている電池は負極材料として黒鉛を使用しているが、シリコンの容量は黒鉛の約10倍であると述べた。したがって、シリコン電池の研究には数千万ドル、数億ドル、さらには数億ドルが費やされています。

電気自動車や強力なポータブル電子機器を通じてインフラの電化を望んでいる社会にとって、これは朗報ですが、課題もあります。電池の充放電過程でシリコンの体積が膨張・収縮し、シリコン材料に亀裂が生じ、SEIは何度も破壊・再生を繰り返します。これにより、電気的接触が失われ、バッテリーに蓄えられる電荷量である容量が減少します。

このプロセスが構造的および化学的にどのように展開するかを正確に理解することは、問題を解決するために非常に重要です。

この層の安定性がバッテリーの安定性を制御するため、この層の形成により電解質材料と活性リチウムが消費されるため、制御不能に成長することは望ましくありません。 Zhang氏は、これにより電解液が乾燥し、活物質が失われ、電池の性能に悪影響を及ぼす可能性があると述べた。

Zhang 氏と彼のチームが Nature Nanotechnology 誌に発表した主要な課題は、このプロセスを観察、特徴づけ、理解する能力です。

SEI層は電池にとって極めて重要であるが、非常に薄いため光学顕微鏡では見ることができず、電池のサイクル中に動的に進化するとZhang氏は述べた。これは、非常にナノスケールの非常に薄い材料の透過型電子顕微鏡によって観察できます。しかし、SEI の場合、材料組成の高解像度画像を取得するには大量の電子を送信する必要があるため、この層は非常に柔らかく、電子ビームによって簡単に損傷します。

この問題を克服するために、研究者らは低温走査透過電子顕微鏡 (cryo STEM) を使用しました。彼らは、サンプルへの電子ビームによる損傷を最小限に抑えるために、低温 STEM 顕微鏡イメージングの準備および使用中に循環電極材料を低温に保ちました。さらに、3Dイメージング用の高感度要素断層撮影と、より低い電子線量で画像を取得することを目的とした高度なアルゴリズムを統合しました。このテクノロジーは、さまざまなバッテリーサイクル後にキャプチャされた SEI シリコンの相互作用の 3D ビューを実現します。

私たちの手法の独自性は、低温 STEM イメージングとマルチ物理プロセス モデリングにあります。 Zhang 氏は、バッテリーサイクル後のシリコンと SEI の進化を視覚化できると述べました。その一方で、計算シミュレーションを使用して、サイクル中の微細構造進化プロセス全体を再説明することができます。これがこの研究の新規性である。

このチームの研究により、人々はシリコン陽極の SEI 層の成長と不安定性につながるメカニズムをより深く理解できるようになりました。

したがって、SEI層の成長メカニズムを理解すれば、シリコンアノードや電池設計の性能を向上させる方法について多くの洞察が得られるだろうとZhang氏は述べた。そうすれば、次世代のリチウム電池用のより堅牢なシリコン陽極を製造できるようになります。

同氏は、次世代リチウム電池は業界と一般消費者に複数のメリットをもたらすと説明した。

シリコンは非常に豊富に存在しており、サイクル寿命の長い負極としてシリコンを使用できれば、充電式電池の容量が大幅に増加するだろうと張氏は述べた。さらに、シリコン資源が豊富なため、電池の価格も下がります。

シリコン負極電池の充電および放電中の SEI 層の進化について重要な理解を得ることができた Zhang 氏は、次のステップはこの知識を利用して、サイクルによって容量が失われないシリコン負極電池の設計に役立てることであると述べました。

「潜在的なメカニズムを理解したら、次のステップはいくつかの科学的仮説を立てることです」とZhang氏は語った。次に、シリコンの体積変化に伴う悪影響を軽減できるように、シリコン陽極を使用してこの仮説をテストします。現在の制御不可能な要因を制御することで、より優れた性能のシリコン電極を設計できます。

張氏のほか、工学科学と機械学の大学院生であるTianwu Chen氏とDingchuan Xue氏を含むペンシルバニア州立大学の研究者がこの研究に参加した。他の研究者には、太平洋北西部国立研究所のYang He、Xu Yaobin、Wang Chongmin、Jia Haiping、Ran Yi、Miao Song、Li Xiaolin、Zhang Jiguangが含まれます。 ThermoFisher Scientific、LinJiang、ArdaGenc、CedricBouchet Marquis、Lee Pullan、TedTessner より。ロスアラモス国立研究所出身、JinkyoungYoo。エネルギー省と国立科学財団がこの研究を支援しました。