全固体電池の性能劣化の「核心」は何でしょうか? 「人工知能顕微鏡」を詳しく見る

制作：中国科学普及協会

著者: 王春陽 (中国科学院金属研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

全固体リチウム電池は、その高い安全性と高エネルギー密度により、従来の液体リチウムイオン電池を上回る次世代の電池技術として注目されています。しかし、これまでは、正極材料（リチウムイオンを貯蔵する担体）と固体電解質（リチウムイオンの輸送媒体）との接触によって形成される界面の不安定性が、全固体電池の性能と寿命を制限するボトルネックとなっていました。

リチウムイオン電池

（写真提供：veerフォトギャラリー）

最近、中国科学院金属研究所とカリフォルニア大学アーバイン校の研究チームは、人工知能（AI）支援透過型電子顕微鏡（TEM）技術を使用して、カソード/電解質界面の構造劣化メカニズムを原子レベルで解明し、全固体リチウム電池の性能劣化の謎を解明しました。

全固体リチウム電池とは何ですか？

全固体リチウム電池は、従来の液体電解質の代わりに固体電解質を使用する電池技術です。安全性、エネルギー密度、動作温度範囲がより高いことから、現在、次世代リチウム電池技術の研究のホットスポットであり、大きなブレークスルーの方向性であると考えられています。

現在、全固体リチウム電池が直面している最大の問題は、電極と電解質間の電気化学的不安定性であり、これが電池性能の急激な低下を引き起こす「原因」となっています。この不安定性は層状酸化物正極材料の構造に影響を及ぼし、全固体リチウム電池の安定した性能に対する最大の障害となります。全固体電池における界面不安定性による材料構造劣化メカニズムの詳細な研究は、高性能全固体電池の開発に重要な理論的指針を提供することが期待されます。

電池材料の構造をどう見るか？

先進的な材料を開発するには、まずその構造を深く理解する必要があります。透過型電子顕微鏡 (TEM) は、物質の内部構造を観察するための強力なツールです。髪の毛の直径の100万分の1に相当する、最大0.05ナノメートルの解像度で原子レベルの物質を観察できます。材料科学研究において、TEM は現在世界で最も重要な材料特性評価方法の 1 つです。瀋陽にある中国科学院金属研究所は、わが国で電子顕微鏡研究を最も早く始めた機関の一つです（この分野の創始者は、わが国の有名な電子顕微鏡学者であり結晶学者でもある郭克新氏です）。我が国の電子顕微鏡人材育成の発祥地として、金属研究所はさまざまなタイプの透過型電子顕微鏡を10台以上（数億元相当）所有しています。当社は、材料の電子顕微鏡研究において深い基盤と強力な科学研究チームを擁しています。

透過型電子顕微鏡の基本構造の模式図

（画像提供：中国科学院）

中国科学院金属研究所の透過型電子顕微鏡

（画像出典：著者提供）

AIはどのような役割を果たすのでしょうか?

電池材料の構造の複雑さと電子線照射に耐えられないことは、原子レベルでの相変化と構造進化を理解する上で材料科学者にとって大きな課題となっています。しかし、研究チームは諦めなかった。画像処理・分析における人工知能の利点を生かし、畳み込みニューラルネットワークを独創的に活用し、原子認識、セグメンテーション、高精度位置決めの新しい方法を開発し、層状酸化物正極材料の結晶構造、欠陥、複雑な相界面の原子レベルの高精度画像化と分析を実現しました。

コンセプト画像：AI透過型電子顕微鏡により正極材料の原子構造が明らかに

（画像出典：著者提供）

研究チームは、AI支援TEM技術を通じて、全固体リチウム電池の層状酸化物正極材料の原子レベルの構造劣化メカニズムを明らかにすることに成功しました。彼らは、全固体電池の層状酸化物正極材料の性能低下には主に3つの「原因」があることを発見した。

1 つ目は格子酸素損失です。つまり、正極材料は電気化学反応中に主成分である酸素を失い、材料の構造フレームワークが破壊されます。 2 つ目は「格子の断片化」です。つまり、応力の作用により材料表面の結晶構造が破壊され、その結果、材料のリチウムイオン輸送能力が大幅に低下します。 3 つ目は格子ずり相転移です。これは、脱リチウム化プロセス (つまり、バッテリー充電中に正極材料からリチウムイオンが除去される) によって引き起こされる材料の内部構造の再配置現象であり、材料が初期の結晶構造から別の有害な結晶構造に変化します。

層状酸化物カソードにおけるせん断相界面構造の微細原子配置解析

（画像出典：著者提供）

界面電気化学反応によって引き起こされる層状酸化物の表面「格子の断片化」

（画像出典：著者提供）

この研究成果は、全固体リチウム電池における層状酸化物正極材料の構造劣化メカニズムを明らかにし、層状酸化物正極の相変化劣化理論を拡張し、全固体電池の正極材料および正極/電解質界面の最適設計に重要な理論的指針を提供します。さらに、全固体電池の界面挙動を理解するための新たな視点を提供し、高性能な全固体リチウム電池の開発の方向性を示しています。同時に、この研究は、エネルギー分野における中核的な科学的問題の解決における高度な電子顕微鏡特性評価技術の重要な役割も十分に強調しています。

王春陽と彼の「パートナー」透過型電子顕微鏡

（画像出典：著者提供）

結論

研究チームは人工知能を活用したTEM技術により、全固体リチウム電池正極材料の故障メカニズムを原子レベルで解明することに成功した。これらの新たな洞察は、既存の材料の設計を最適化するための科学的根拠と重要な理論的指針を提供します。

今後も研究チームは、全固体リチウム電池材料の構造と性能の関係における中核的な科学的課題についての基礎研究を継続していきます。チームの電子顕微鏡研究と材料科学研究の専門知識を活用し、「新しい知識の発見、新しい方法の開発、新しい材料の創出」を通じて既存の技術的ボトルネックを継続的に打破し、全固体電池の最適設計と新材料の開発に貢献します。