インターカレーション（化学）

有名なインターカレーションホストの 1 つはグラファイトであり、グラファイトはカリウムをゲストとしてインターカレーションします。^{[ 3 ]}インターカレーションはシート間のファンデルワールスギャップを拡大しますが、これにはエネルギーが必要です。通常、このエネルギーはゲストとホスト固体間の電荷移動、つまり酸化還元によって供給されます。 2 つのカリウムグラファイト化合物は KC ₈と KC ₂₄です。 フッ化炭素 (例えば、(CF) _xおよび (C _{4 F)) は、}フッ素とグラファイト炭素の反応によって生成されます。色は灰色、白色、または黄色です。炭素原子とフッ素原子間の結合は共有結合であるため、フッ素はインターカレーションされません。このような材料は、さまざまなリチウム電池の正極として検討されています。

酸化剤の存在下で黒鉛を強酸で処理すると、黒鉛は酸化される。硫酸と少量の硝酸またはクロム酸を用いてこの方法で製造すると、亜硫酸水素黒鉛[C ₂₄ ] ⁺ [HSO ₄ ] ⁻が得られる。同様の過塩素酸との反応により、類似の過塩素酸黒鉛も製造できる。

2020年代初頭までに、インターカレーションプロセスの最も大規模かつ多様な用途の1つは、リチウムイオン電気化学エネルギー貯蔵であり、多くの携帯型電子機器、移動機器、電気自動車、および公益事業規模の蓄電池式電力貯蔵ステーションで使用されるバッテリーである。

2023年までに、すべての市販リチウムイオン電池は活性材料としてインターカレーション化合物を使用し、そのほとんどは電池の物理構造内の正極と負極の両方でそれらを使用するようになる。^{[ 4 ]}

2012年、グッドイナフ、ヤザミ、ヨシノの3人の研究者は、インターカレーション型リチウムイオン電池の開発により、2012年IEEE環境安全技術メダルを受賞した。その後、グッドイナフ、ウィッティンガム、ヨシノは、「リチウムイオン電池の開発」により、 2019年ノーベル化学賞を受賞した。 ^{[ 5 ]}

電気化学的サイクル（電池の充電と放電の繰り返し）中、イオンは電極材料に挿入および脱挿入され、層状構造の膨張と収縮を引き起こします。これらの体積変動は、サイクルごとに変化する可能性のある局所的な応力を発生させ、残留応力の蓄積につながります。 ^{[ 12 ]}時間の経過とともに、この蓄積は機械的疲労や、特に応力集中箇所での微小亀裂の形成につながる可能性があります。^{[ 13 ]}

このような機械的劣化は、いくつかのメカニズムを通じて容量損失につながります。

• 活性材料内部の電気的接続性の喪失、^{[ 14 ]}
• 固体電解質界面（SEI）の形成が増加し、電解質と活性リチウムが消費される。^{[ 15 ]}
• さらなる亀裂や樹枝状リチウム成長に対する感受性が高まる。^{[ 16 ]}

これらの故障モードが複合的に作用することで、バッテリー性能の漸進的な低下、そして最終的には故障につながる。

インターカレーションによる応力を軽減するために、電極材料は、インターカレーションイオン（最も一般的にはリチウム）との構造的適合性に基づいて選択されます。LiCoO ₂、LiFePO ₄、リチウムグラファイトインターカレーション化合物などの市販のリチウムイオン電極は、インターカレーションによる応力が比較的低く、構造的安定性が高いため、サイクル寿命が長くなるという理由で選択されています。^{[ 17 ]}

固体電池への関心の高まりに伴い、新たな課題が生じている。固体電解質は、液体電解質とは異なり、イオンが移動する際に機械的応力が蓄積される可能性がある。電極と固体電解質の両方の体積変化は、界面接触不良を引き起こし、イオン輸送を阻害し、相境界での剥離を引き起こす可能性がある。 ^{[ 18 ]}

エネルギー貯蔵システムに関連して、イオンインターカレーションの機械的効果、特に体積膨張とそれに伴う応力蓄積は、多くの電極材料で観察される劣化メカニズムの中心です。^{[ 10 ]}一部の電極構造は、これらの機械的応力によく対応できます。中空粒子、多孔質フレームワーク、コアシェル構造などのナノ構造材料は、サイクル中に機械的負荷をより均一に分散できます。 ^{[ 13 ]}自己修復または塑性変形が可能な柔軟なポリマーバインダーと導電性ネットワークは、応力誘発損傷を軽減するさらなる可能性を提供します。^{[ 16 ]}

固体電池では、無機固体電解質の剛性のため、この問題はさらに顕著になります。形態変化に適合できる液体電解質とは異なり、固体電解質は、充放電サイクル中に界面で亀裂、空隙形成、剥離を起こしやすいです。これらの機械的故障はイオン輸送を妨げ、セルの故障につながる可能性があります。^{[ 18 ]}固体システムにおける応力を低減するための戦略には、柔軟な中間層の使用、界面エンジニアリング、機械的靭性が向上した電解質材料の使用などがあります。^{[ 19 ]}