日本冈山大学研究生院自然科学研究科的后藤和马副教授的研究团队，与日本物质材料研究机构（NIMS）先端材料解析研究基地的端健二郎主任研究员的研究团队合作，成功地实时观测到了锂离子电池和钠离子电池过充电时负极出现的金属析出现象，查清了造成电池起火事故的过充电机制。
锂离子电池作为智能手机、笔记本电脑和电动工具等的电源得到了广泛利用，但电池过充电的话，电极内会有金属（锂）析出，造成内部短路和起火。在此次的研究中，研究团队通过核磁共振波谱法（NMR）成功地实时观测了此前难以直接观察的电池电极内部的金属析出的瞬间，发现不同的电极结构，金属析出的难易度也不同。
该成果作为确定二次电池过充电的安全性极限的技术，可有效评估现有电池和新电池的特性，以及纯电动汽车（EV）用重复利用电池的安全性等，有望为电池利用技术的发展做出巨大贡献。
＜研究背景＞
锂离子电池作为智能手机、笔记本电脑和电动工具等的电源得到了广泛利用，但随着使用范围的扩大，非原装电池过充电引起的起火事故等也不断增加 。锂离子电池过充电的话，电池内部负极表面会有针状金属锂（枝晶）析出，枝晶会穿透正负极之间的隔膜（图1），导致内部短路、破裂及起火。因此，过充电是确保电池安全性最需要注意的现象（图2）。
图1：电极上的金属（枝晶）析出示意图
图2：利用核磁共振波谱法（NMR）检测金属（引用自发表论文的期刊封面）
已知电极内部的形状因长期使用或物理冲击而变形后，变形部分会局部出现过充电状态，因此枝晶容易析出，为进行品质管理以实现新一代车载电池的长期使用，也需要对电池进行评估。不过，利用以往的观察方法虽然能观察电池电极表面的枝晶，但难以实时检测出电极内部析出的枝晶。
＜研究成果＞
此次研究针对锂离子电池，以及作为锂离子电池和（锂离子）全固体电池的下一代电池备受期待的钠离子电池，应用了可以实时掌握电池内部情况的“核磁共振波谱法（NMR）”。利用联合研究团队NIMS制作的独特NMR探针（检测器），在使电池过充电的同时，详细观察了负极内的金属（Li、Na）状态变化，由此成功地准确确定了金属开始析出的时间。
通过改变多种不同电极材料（石墨、难石墨化碳）的充电速度进行比较实验发现，（1）即使电池超过了充满电的电位，也不会立即发生金属析出，而是能坚持一段时间，因此不会立即发生内部短路；（2）坚持的时间因充电速度和电极材料的种类而大不相同。研究发现，不容易发生金属析出的碳，其结构内部有空隙，这些空隙在过充电时会吸收锂离子和钠离子，为电极颗粒表面产生枝晶提供了时间和空间（图3）。
图3：细孔性碳电极过充电导致金属析出的机制
论文信息
题目：Mechanisms for overcharging of carbon electrodes in lithium-ion/sodium-ion batteries analysedby operando solid-state NMR
期刊：Journal of Materials Chemistry A
DOI：10.1039/D0TA04005C
文：JST客观日本编辑部
