リチウムイオン電池の正極（カソード）材料において、次世代の本命とされる「単結晶材料」の劣化メカニズムが、従来の「多結晶材料」とは根本的に異なることが明らかになりました。
1. 研究の背景：多結晶（PC）から単結晶（SC）へ
- 多結晶（PC-NMC）の課題: 微細な結晶が集まって構成されているため、充放電による膨張・収縮で「結晶のつなぎ目（粒界）」に亀裂が生じ、容量劣化や熱暴走の原因となっていました。
- 単結晶（SC-NMC）への期待: つなぎ目のない一つの大きな結晶にすることで、亀裂を防げると期待されていましたが、実際には期待通りの性能が出ないケースが多く、その原因が謎とされていました。
2. 発見された新たな劣化メカニズム
研究チームは、シンクロトロンX線と電子顕微鏡を用いた解析により、単結晶特有の故障原因を特定しました。
- 反応の不均一性: 単結晶では粒界がない代わりに、一つの結晶の内部で化学反応の速度にムラ（不均一性）が生じます。
- ナノスケールのひずみ: この不均一性により結晶内部に局所的なひずみが発生し、これが「内部からのひび割れ」を引き起こしていました。
- 定説の誤り: 多結晶材料で培われた設計指針（材料の配合比など）をそのまま単結晶に適用しても、劣化は防げないことが判明しました。
3. 材料設計の再定義（コバルトとマンガンの役割）
従来の常識では「コバルトは割れを助長し、マンガンは安定させる」と考えられてきましたが、単結晶においては逆の結果が得られました。
- マンガンの有害性: 単結晶ではマンガンが機械的な破損を助長することが判明。
- コバルトの有用性: 単結晶ではコバルトがむしろ寿命を延ばす効果があることが分かりました。
【関連情報】今後のEV・エネルギー市場への影響
この研究成果が実用化されることで、以下のような進展が期待されます。
- EVの航続距離と寿命の劇的向上: 単結晶カソードは高電圧での動作に適しており、今回の知見で「割れ」を克服できれば、10年、20年と使い続けられる高エネルギー密度バッテリーの実現に近づきます。
- 安全性の強化: 内部の亀裂から生じる電解液の副反応や酸素放出を抑えることで、熱暴走（発火事故）のリスクを大幅に低減できます。
- コストの課題: コバルトは高価で供給リスクがあるため、研究チームは現在「コバルトの特性を再現しつつ、より安価な材料」の探索を次のステップとしています。
まとめ
2026年以降のバッテリー開発は、単なる材料の置き換えではなく、「単結晶専用の設計アルゴリズム」へとシフトしていくことになります。アルゴンヌ国立研究所を中心とするこの発見は、電気自動車だけでなく、スマートフォンの長寿命化や建物の蓄電システムの安全性向上に大きく貢献するマイルストーンとなります。
出典：https://pme.uchicago.edu/news/research-upturns-assumptions-about-battery-failure
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