電池およびエネルギー貯蔵技術

共通の課題

次世代電池の開発は、対象産業における困難な課題(電気自動車の最大走行距離など)がその原動力となっています。材料や電池化学の観点からエネルギー貯蔵の新たな概念が展開されることで、電池の電力/エネルギー密度、クーロン効率、サイクル寿命を向上させる可能性が広がります。この性能は、電極/電解質材料のイオン拡散、電子伝達、構造、および化学的なダイナミクスに依存しており、充放電サイクルなどの電気化学的プロセスに影響を与えます。各コンポーネントの構造と特性の関係やこれらの電気化学的プロセスにおけるその相乗的な挙動を理解することで、材料構造と元素分布の著しい変化を適切に特性評価することができます。これらのプロセスで生じるイオンの再配置、格子の膨張/収縮、相転移、構造/表面の再構築における変化を解明するには、以下の情報が役立ちます。

  • 材料の組成と均一性の測定
  • 粒界損失と活性の測定
  • 欠陥分析
    • 回収した電流を低下させる原因の解明
    • コンタミネーションレベルの定量化
  • 電池内の化学相の分析

革新的な手法

製品のエネルギー消費量に影響を与える材料の特性を的確に評価し、理解するには、まず最初に、材料界面を識別できるように各試料が高品質であることと、必要に応じて環境刺激下で処理できるように各試料が適切に管理されていることが重要です。試料を作製したら、材料の微細構造、欠陥、光学特性の関係をより深く理解するために、いくつかの手法を利用できます。

顕微鏡レベルで材料の化学特性および電子特性について独自の知見を得ることができる。
顕微鏡レベルで材料および素子の電気特性を明らかにする。
原子分解能の化学および組成分析。
ナノメートルレベルの分解能で像内の元素と化学物質を強調しマッピングを行い定量化するイメージング手法の1つ。
EELSデータの空間分布を生成するための体系的な方法。
材料の成長、素子の超微細構造と不具合を理解するのに役立つ、権威ある賞を受賞した高分解能イメージングツール。
成長過程、化学反応と酸化、照射効果、機械特性、磁気特性、強誘電特性をリアルタイムで観察。
独自のSEM、TEM、またはSTEMアプリケーション用に試料を切削、エッチング、研磨、および凍結するための高性能ツール。
試料の元素または化学特性を解明するのに役立つ。
材料の結晶方位や組織を調べるのに役立つ。

関連するアプリケーションの詳細については、「太陽光発電、ユーティリティ、および環境」および「半導体材料およびデバイス」をご覧ください。

結果の活用

組成均一性の測定

カソードルミネッセンスを使用すると、材料組成における粒子間のばらつきを識別できます。この例では、色の変化でばらつきが示され、粒界における過度の空孔欠陥は青色で示されています。画像a)は、Cu0.8In0.2AgSe2フィルムの二次電子画像を示しています。画像b)は、カソードルミネッセンスの単色画像に1.181 eVの放出(青色)、1.121 eV(緑色)、1.033 eV(赤色)を重ねた画像を示しています。画像はイリノイ大学のA.R. Aquino Gonzales様のご厚意によるものです(博士号論文)。

粒界の測定

二次電子像(左)とパンクロマチックカソードルミネッセンス像(右)から、固有の粒界の様子がどのように明らかになるのかがわかります。

汚染レベルの定量化

SmartEBIC™による実験(左)と効率性分析の理論(右)。

電池内の化学相の分析

LiFePO4電池を半分まで還元し、分析するために断面試料を作製しています。還元時に、LiFePO4がFePO4に還元されます。STEMプローブに対してはビームの影響を受けやすいため、EFTEMで分析を行ったところ、次のような結果が明らかになりました。

L3線位置にシフトが発生し、LiFePO4のFe2+とFePO4のFe3+の酸化状態を示しています。化学的に異なる2つの粒子から基準スペクトルを抽出し、MLLS(Multiple Linear Least Squares)フィッティングルーチンを実行する基準として使用しています。さらに、EELSにより、約2 eVの化学シフトが観察されマッピングされています。