研究でバッテリー寿命を改善する鍵が判明: 粒子間の相互作用

海外メディアの報道によると、バージニア工科大学化学科准教授のフェン・リン氏とその研究チームは、バッテリーの初期劣化は個々の電極粒子の特性によって引き起こされるようだが、数十回の充電後には発生することを発見したという。ループ後は、これらのパーティクルがどのように結合するかがより重要になります。

「この研究は、長いバッテリーサイクル寿命を実現するバッテリー電極の設計と製造方法の秘密を明らかにしました」とリン氏は述べています。現在、リンの研究室は、急速充電、低コスト、長寿命、そして環境に優しい電極アーキテクチャを作成するために、バッテリー電極の再設計に取り組んでいます。

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研究でバッテリー寿命を改善する鍵が判明: 粒子間の相互作用
GasgooLiu Liting5時間前
海外メディアの報道によると、バージニア工科大学化学科准教授のフェン・リン氏とその研究チームは、バッテリーの初期劣化は個々の電極粒子の特性によって引き起こされるようだが、数十回の充電後には発生することを発見したという。ループ後は、これらのパーティクルがどのように結合するかがより重要になります。

「この研究は、長いバッテリーサイクル寿命を実現するバッテリー電極の設計と製造方法の秘密を明らかにしました」とリン氏は述べています。現在、リンの研究室は、急速充電、低コスト、長寿命、そして環境に優しい電極アーキテクチャを作成するために、バッテリー電極の再設計に取り組んでいます。

画像出典: フォン・リン

「電極構造により、個々の粒子が電気信号に迅速に応答できるようになれば、バッテリーを急速充電するための優れたツールボックスが得られるでしょう」とリン氏は述べた。「私たちは、次世代の低コスト急速充電バッテリーについての理解を深められることに興奮しています。」

この研究は、米国エネルギー省のSLAC国立加速器研究所、パデュー大学、および欧州シンクロトロン放射施設と共同で行われた。リン氏の研究室の博士研究員である Zhengrui Xu 氏と Dong Ho 氏もこの論文の共著者であり、電極製造、電池製造、電池性能測定を主導し、X 線実験とデータ分析を支援しています。

「基本的な構成要素はバッテリーの電極を構成する粒子ですが、スケールアップすると、これらの粒子は相互作用します」と、スタンフォードシンクロトロン放射光源 (SSRL) の研究員である SLAC の科学者、Yijin Liu 氏は述べています。「より良い電池を作りたければ、粒子を組み合わせる方法を知る必要があります。」

研究の一環として、Lin氏、Liu氏らはコンピュータービジョン技術を利用して、充電式バッテリーの電極を構成する個々の粒子が時間の経過とともにどのように分解するかを研究した。今回の目標は、個々の粒子だけでなく、それらがどのように連携してバッテリー寿命を延ばしたり減らしたりするかを研究することです。最終的な目標は、バッテリー設計の寿命を延ばす新しい方法を学ぶことです。

研究の一環として、チームはバッテリーの正極をX線で研究した。彼らは、X 線断層撮影法を使用して、さまざまな充電サイクル後のバッテリーのカソードの 3D 画像を再構成しました。次に、これらの 3D 画像を一連の 2D スライスに切り出し、コンピューター ビジョン手法を使用して粒子を特定しました。この研究には、Lin氏とLiu氏に加えて、SSRL博士研究員Jizhou Li氏、パデュー大学機械工学教授Keije Zhao氏、パデュー大学大学院生Nikhil Sharma氏が参加した。

研究者らは最終的に 2,000 個を超える個々の粒子を特定し、サイズ、形状、表面粗さなどの個々の粒子の特性だけでなく、粒子が互いに直接接触する頻度や粒子の形状がどの程度変化したかなどの特徴も計算しました。

次に、各特性がどのように粒子を分解するかを調べたところ、10 回の充電サイクルの後、最大の要因は、粒子の球形や表面積に対する粒子の体積の比率など、個々の粒子の特性であることがわかりました。しかし、50 サイクル後は、ペアリングとグループの特性 (2 つの粒子がどのくらい離れているか、形状がどのくらい変化したか、より細長いサッカー ボールの形をした粒子が同じ方向を持っているかどうかなど) によって粒子の分解が促進されました。

「その理由はもはや粒子自体だけではなく、粒子間の相互作用にあります」とリュー氏は言う。この発見は、メーカーがこれらの特性を制御する技術を開発できることを意味するため、重要です。たとえば、細長い粒子を互いに整列させることで磁場や電場を使用できる可能性があり、最新の研究結果は、これによりバッテリー寿命が延びることを示唆しています。」

リン氏はさらに、「私たちは急速充電や低温条件下でEVバッテリーを効率的に動作させる方法を集中的に研究してきました。より安価で豊富な原材料を使用して電池コストを削減できる新しい材料を設計することに加えて、私たちの研究室では、平衡から離れた電池の挙動を理解する継続的な取り組みも行っています。私たちはバッテリー材料とその過酷な環境への応答の研究を開始しました。」