カリフォルニア大学サンディエゴ校、リチウムイオン電池の樹状突起（デンドライト）の問題に「放水路」のコンセプトを用いた技術の提案。

カリフォルニア大学サンディエゴ校が2020年3月に発表した論文がバッテリー系の複数の海外メディアで取り上げられています。台湾トレンドフォース社のEnergyTrend（同社のエネルギー分野調査部門）もこの技術について記事を書いておりましたので、下記にその記事の翻訳およびオリジナル論文の要約をご紹介いたします。
 
リチウムイオン電池の安全性をより高めることとバッテリーの爆発のリスクを下げることが模索されている中で、カリフォルニア大学サンディエゴ校が、充放電させた際に樹状突起（デンドライト）が形成される問題に対して新しいソリューションを発表しました。ダムの「放水路」のコンセプトを応用し、樹状突起（デンドライト）がセパレーターを貫通した際に、負極からの電子の氾濫を防止する技術です。
 
リチウムイオンバッテリーは、従来の電池技術と比較して、充電速度が速く、耐久性もあり、エネルギー密度が高いことで広く評価されています。小型で持ち運びが可能な携帯電話は、コンパクトで強力なリチウムイオンバッテリー抜きでは語れません。ただ、残念ながらこの技術もまだ完璧ではありません。充電と放電の頻度が増えると、バッテリー内の電極は樹状突起（デンドライト）を形成し始め、最終的にはセパレーターを突き抜け、ショートや発火を引き起こすようになります。

(Morris, "Researchers add compounds to electrolyte to prevent dendrite growth", 2015)

この課題を解決するために、電解質添加剤の使用や多次元集電装置、セパレーターの表面改質などの解決策が提案されてきていますが、プロセスが複雑になったり、サイクル寿命などの問題もあり、超音波または特別な保護層を使用することを含む新しい対策も検討されています。
 
この観点から言うとUCSDのチームは別のソリューションを提示しようとしています。リチウムイオンバッテリーは、主に2つの電極と、電解質、セパレーターで形成されます。リチウムイオンが正極と負極の間を行き来することで充放電され、その際に電解質とセパレーターを通過します。
 
ここでUCSDのチームは、絶縁されたアノード側の層と部分的に導電性（PEC）を持たせたカソード側の層の二つの面を持つ構造体を用い、デンドライトの突き抜けによって生じる電子漏れの勢いを緩和させます。この方法はダムから過剰な水を放出する「放水路」をモチーフとしていると述べられています。
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(Green Car Congress, "UCSD researchers develop draining safety feature for Li-metal batteries", 2020)

この技術の提案をしている論文はADVANCES MATERIALSに掲載されています。デンドライトがセパレーターを貫通した際に、電子は、一度にカソードに向かって流れていくのではなく、ゆっくりと排出できる経路を持ちます。電流を制限することで、電池温度の上昇を抑えることもできます。従来の単層セパレーターで見られる突然の電圧降下および完全故障とは対照的にUCSDが提案している二層セパレーターは徐々に内部自己放電を増やしていく、「放水路」のような機能を持ち合わせているため、電流が急に溢れ出すことによる危険な不具合を回避することができます(Gonzalez, Yan, Holoubek, Wu, Zhou, Patterson, Petrova, Liu and Liu, 2020)。

なお最後に、本件の記事と関連し、トレンドフォース社発行の「リチウムイオン電池エネルギー貯蔵市場」レポートでは内容に不明な点があった場合のアフターフォローを含め、最新のトレンドが載っています。ご関心ございましたらお問い合わせ下さい。

References

Gonzalez, M. S., Yan, Q., Holoubek, J., Wu, Z., Zhou, H., Patterson, N., Petrova, V., Liu, H., Liu, P., Draining Over Blocking: Nano‐Composite Janus Separators for Mitigating Internal Shorting of Lithium Batteries. Adv. Mater. 2020, 32, 1906836. https://doi.org/10.1002/adma.201906836
 
Green Car Congress. (2020, March 12). UCSD researchers develop draining safety feature for Li-metal batteries. Retrieved from https://www.greencarcongress.com/2020/03/20200312-ucsd.html
 
Morris, C. (2015, June 29). Researchers add compounds to electrolyte to prevent dendrite growth. Retrieved from https://chargedevs.com/newswire/researchers-add-compounds-to-electrolyte-to-prevent-dendrite-growth/