日本岡山大學研究生院自然科學研究科的後藤和馬副教授的研究團隊，與日本物質材料研究機構（NIMS）先端材料解析研究基地的端健二郎主任研究員的研究團隊合作，成功地即時觀測到了鋰離子電池和鈉離子電池過充電時負極出現的金屬析出現象，查清了造成電池起火事故的過充電機制。
鋰離子電池作爲智慧型手機、筆記型電腦和電動工具等的電流源得到了廣泛利用，但電池過充電的話，電極内會有金屬（鋰）析出，造成内部短路和起火。在此次的研究中，研究團隊透過核磁共振譜法（NMR）成功地即時觀測了此前難以直接觀察的電池電極内部的金屬析出的瞬間，發現不同的電極結構，金屬析出的難易度也不同。
該成果作爲確定二次電池過充電的安全極限的技術，可有效評估現有電池和新電池的特性，以及純電動車（EV）用重複利用電池的安全等，有望爲電池利用技術的隊形變換做出巨大貢獻。
＜研究背景＞
鋰離子電池作爲智慧型手機、筆記型電腦和電動工具等的電流源得到了廣泛利用，但隨着使用範圍的擴大，非原裝電池過充電引起的起火事故等也不斷增加 。鋰離子電池過充電的話，電池内部負極表面會有針狀金屬鋰（枝晶）析出，枝晶會穿透正負極之間的隔膜（圖1），導致内部短路、破裂及起火。因此，過充電是確保電池安全最需要注意的現象（圖2）。
圖1：電極上的金屬（枝晶）析出示意圖
圖2：利用核磁共振譜法（NMR）檢測金屬（引用自發表論文的期刊封面）
已知電極内部的形狀因長期使用或物理可用能衝擊而變形後，變形部分會局部出現過充電狀態，因此枝晶容易析出，爲進行品質管理以實施新一代車載電池的長期使用，也需要對電池進行評估。不過，利用以往的觀察方法雖然能觀察電池電極表面的枝晶，但難以即時檢測出電極内部析出的枝晶。
＜研究成果＞
此次研究針對鋰離子電池，以及作爲鋰離子電池和（鋰離子）全固體電池的下一代電池備受期待的鈉離子電池，應用了可以即時掌握電池内部情況的「核磁共振譜法（NMR）」。利用聯合研究團隊NIMS製作的獨特NMR探針（偵檢器），在使電池過充電的同時，詳細觀察了負極内的金屬（Li、Na）狀態變化，由此成功地準確確定了金屬開始析出的時間。
透過改變多種不同電極材料（石墨、難石墨化碳）的充電速度進行比較實驗發現，（1）即使電池超過了充滿電的電位，也不會立即發生金屬析出，而是能堅持一段時間，因此不會立即發生内部短路；（2）堅持的時間因充電速度和電極材料的種類而大不相同。研究發現，不容易發生金屬析出的碳，其結構内部有空隙，這些空隙在過充電時會吸收鋰離子和鈉離子，爲電極顆粒表面產生枝晶提供了時間和空間（圖3）。
圖3：中孔性碳電極過充電導致金屬析出的機制
論文資訊
題目：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客觀日本編輯部
