充電式リチウム電池のデンドライト問題を解決することで、新しい全固体電池の設計への扉が開かれます
マサチューセッツ工科大学の研究者は、充電式リチウム電池のデンドライトの形成と、デンドライトが電解液を通過するのを防ぐ方法を説明しました。この発見により、現在のバージョンよりも軽量でコンパクトで安全な新しい充電式リチウム電池の設計への扉が最終的に開かれる可能性があります。
これまでのところ、再充電可能なリチウム金属電池の商用利用は限られており、そのうちの 1 つがデンドライトです。デンドライトはリチウム表面に蓄積し、固体電解質に浸透し、最終的に 1 つの電極から別の電極に交差して、バッテリーを短絡させる可能性があります。
MITの初期の研究では、リチウムイオン固体電解質材料がバッテリーの充電と放電中に前後に往復し、電極の体積が変化することがわかりました。これにより、必然的に固体電解質に応力が発生します。固体電解質は、中央に挟まれた 2 つの電極との完全な接触を維持する必要があります。"この金属を堆積させるには、新しい質量が増加しているため、体積を拡張する必要があります。そのため、リチウム電池側の体積が大きくなっています。少しでも欠陥があると、これらの欠陥に圧力がかかり、クラックが発生します。"
研究チームは現在、これらの圧力が樹状突起を形成する亀裂につながる可能性があることを発見しました. 問題の解決策は、正しい方向に適切な力で圧力をかけることであることが事実によって証明されています。
以前は、デンドライトは機械的プロセスではなく、純粋な電気化学的プロセスによって形成されると信じていた研究者もいましたが、チームの実験では、問題が機械的ストレスによって引き起こされていることが示されました。
細胞樹状突起の形成プロセスは、通常、直接観察できない不透明な物質の深部で行われます。そのため、研究者は、プロセス全体を直接見て記録できる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ました。
チームは、圧力を加えたり解放したりすることで樹状突起の成長を直接制御できることを証明し、樹状突起と力の方向が完全に一致するようにしました。固体電解質への機械的ストレスは、デンドライトの形成を排除することはできませんが、成長方向を制御することはできます。これは、それらが2つの電極に平行に導かれ、反対側を通過するのを防ぎ、それによって無害になることを意味します。
別の方法は、"ドープ"原子を材料に埋め込んで変形させ、永久的な応力状態にします。実験によると、デンドライトが電解質を通過するのを防ぐには、150 ～ 200 MPa の圧力で十分です。
以前は、多層構造のようなサンドイッチが樹枝状構造の形成を防止できると考えられていました。しかし、新しい実験により、バッテリープレートの方向に垂直に材料を押し出すと、樹枝状構造の形成が実際に悪化することが証明されました。代わりに、サンドイッチの側面から圧迫されているかのように、面に沿って圧力がかかるはずです。
