中性子を基にしたマッピング技術が、稼働中の全固体電池内部でのリチウムイオンの動きをリアルタイムで追跡するために使用されました。フランスのラウ・ランジェビ研究所（Institut Laue-Langevin, ILL）の研究者たちは、設計においてより安全で効率的な固体電池を提供する可能性のある予期しない構造の複雑性を発見しました。研究者たちは、稼働中の中性子粉末回折技術を使用して電池界面を詳細に観察しました。興味深いことに、実験は電極内部の混沌とした構造を明らかにし、リチウムの流れが以前に想像されていたほどスムーズではないことを示しました。
従来の充電式電池は液体電解質を使用していますが、この設計には安全リスクがあり、性能を制限します。全固体電池は、液体電解質を固体材料に置き換えることを目的としており、より安全な運用、より高いエネルギー密度、極端な温度下でのより良い性能を実現します。しかし、信頼性のある全固体電池の製造は依然として課題に直面しており、リチウムイオンの固体構造内での動きはしばしば不均一で、異なる領域が不一致の速度で充電されることにつながります。この謎を解決するために、研究者たちは初めて中性子回折技術を利用して、厚い稼働中の全固体電池を詳細に観察し、リチウムの動きをリアルタイムで追跡してその動作を理解し最適化しました。
全固体電池の構造の複雑性が設計に新たな視点を提供
実験室での典型的なX線は重い電子散乱によってリチウムのような軽元素を探知できませんが、中性子は原子核と直接相互作用するため、リチウムを正確に探知することができます。さらに、中性子は非常に優れた透過力を持ち、表面だけでなく、厚い電池粒子全体の内部を無損傷で探知することができます。これにより、稼働中の中性子粉末回折が、実際の充電と放電プロセスにおける電池の構造変化を追跡するための貴重なツールとなりました。
明確な信号を得るために、ILLチームは約2.5ミリメートルの厚さの電池セルを構築する必要があり、これには140ミリグラムの活性カソード材料が必要でした。より厚いコンポーネントは通常、大きな内部抵抗を意味し、電流に影響を与えます。新合成の高導電性固体電解質（混合ハロゲン化物アキロミス）は、この問題を克服するのに役立ち、そのイオン導電性は従来の材料の6倍です。異常な厚さでも、電池の電解質はリチウムの半分以上を成功裏に抽出することができました。
彼らが観察した状況は、固体力学に対する私たちの理解を変えました。非常に遅い充電プロセスでも、リチウムの流れはスムーズではありません。電極はH1とH2と呼ばれる2つの競合する構造相に分裂します。電池の異なる領域は実際には異なる時間領域にあり、電流の問題により、全く異なる速度で充電されます。しかし、温度が上昇すると、この状況は変化しました。チームが100°Cで実験を繰り返したとき、混沌とした二相の挙動は完全に消失しました。熱は材料のイオン導電性を向上させ、電流を滑らかにし、リチウムを完璧で均一なペースで運行させました。
同時に、固体電解質フレームは安定を保ち、劣化の兆候を示しませんでした。
テスト全体を通じて、固体電解質は構造的に安定しており、これは硫化物ベースの全固体電池の長期的な実現可能性にとって励みとなる兆候です。この発見は、電池設計者に正確な性能調整手法を提供し、電動車設計の未来を切り開くものであり、電極内部の交通渋滞は、ターゲットを絞った熱管理と導電性の最適化によって解決できることを示しています。この研究は『Advanced Energy Materials』誌に発表されました。