ブログ について 10年間のデータがリチウムイオン電池の経年劣化モデルの欠陥を明らかに

電気自動車やグリッドストレージシステムの原動力である最新のリチウムイオン電池は、その主にアイドル状態の寿命の間、目に見えない敵に直面しています。これらのバッテリーは、駐車中の電気自動車など、約90％の時間を保管状態で過ごしますが、カレンダー劣化と呼ばれるプロセスを通じて劣化し続け、寄生反応が徐々に容量を減らし、抵抗を増加させます。

カレンダー劣化を理解することは、独特の時間的課題を提示します。室温での有意な劣化データは、収集に数年を要します。科学者は通常、極端な温度で短期間にデータを収集し、加速劣化モデルを通じて外挿することでこれを回避します。これらのモデルは伝統的に、2つの基本的な原理に依存しています。t ^0.5 時間依存性（固体電解質界面層の拡散限定成長を反映）とアレニウス型の温度依存性です。

グラファイトアノードとニッケルマンガンコバルト（NMC）またはリン酸鉄リチウム（LFP）カソードを組み合わせたものなど、さまざまなバッテリー化学において、多くの研究が当初これらの従来のモデルを支持していましたが、新たな研究では大きな逸脱が明らかになっています。一部のバッテリーは代替のべき乗時間依存性（t ^b ）を示し、他のバッテリーはアレニウス温度挙動を維持していますが、t ^0.5 の関係を放棄しています。これらの矛盾は、カソード電解質界面の成長、遷移金属の溶解、または銅集電体の腐食など、より複雑な劣化メカニズムが作用している可能性を示唆しています。

ほとんどのカレンダー劣化研究は数か月から5年間に及びますが、実際のバッテリーは10年間の性能を必要とします。最近の長期研究では、重要な洞察が明らかになっています。

• パッシブアノードオーバーハングの影響は1年後に減少し、線形劣化傾向に道を譲ります
• べき乗指数は時間の経過とともに劇的に変化し、サイクル劣化で観察される「ニーポイント」に似ています
• アレニウスからの逸脱は、より長い時間スケールでのみ現れます

これらの発見は、短期間のデータで検証されたモデルが、長期的な劣化を著しく誤って表現する可能性があることを示唆しています。

8つのタイプ、4つの化学、5つのメーカーにわたる232個のバッテリーを13年間分析した画期的な研究により、いくつかのパラダイムシフトとなる結論が明らかになりました。

• 温度依存性は予期せぬ形で変化します： 同じメーカーの同様のバッテリー間でも、有意なアレニウスからの逸脱が発生し、室温での劣化の予測に数年の誤差が生じる可能性があります。
• 時間依存性が進化します： 理想化されたt ^0.5 の関係は、自己不動態化の少ない値に道を譲り、化学物質間で大きなばらつきがあります。
• 異なる劣化経路： 容量と電力の低下は、別個の、相関のない軌跡をたどります。
• 個性が重要です： セル間のばらつきは、大きな劣化の違いを占めており、人口動態の傾向と並んで、単一セル分析の必要性を強調しています。

これらの発見は、バッテリー劣化モデルと管理戦略の根本的な再評価を必要とします。今後の研究の方向性は、以下を優先する必要があります。

• 複数の劣化メカニズムと機械学習を組み込んだ次世代劣化モデルの開発
• カレンダー劣化の洗練された理解に基づいたバッテリー管理システムの最適化
• セル間のばらつきを減らすための製造の一貫性の向上
• 長寿命化を実現する新しい材料と設計の探求

世界が電化と再生可能エネルギー貯蔵に移行するにつれて、バッテリー劣化を正確に予測し、軽減することがますます重要になります。この研究は、より耐久性があり、信頼性の高いエネルギー貯蔵ソリューションを開発し、持続可能な未来を支えるための基盤を提供します。