磁気共鳴による先端電池の研究と製造

最初の充電式電池が開発されて以来、携帯用電力は現代生活に欠かせないものとなっています。リチウムイオン電池（LIB）は、携帯電話から電気自動車まで幅広い用途に電力を供給し、エネルギーの貯蔵・利用方法を一変させました。あらゆる種類の電池の中で最も高いエネルギー密度を持つリチウムイオン電池は、性能の向上と環境負荷の低減に大きな可能性を秘めています。

ブルカーの分析装置は、電池技術の新たな発見への道を開き、持続可能な未来を支える研究者をサポートします。

科学者たちがより持続可能なエネルギー・ソリューションの実現を目指している今、次世代の電池研究が脚光を浴びています。ナトリウムイオン電池や固体電池など、現在進行中の代替電池技術の研究開発には、安全性の向上、コストの削減、持続可能性の向上など、潜在的なメリットがあります。例えば、ナトリウムイオン電池は資源豊富な低コストの材料から作られるため、大規模なエネルギー貯蔵のためのより持続可能な選択肢となります。一方、固体電池はエネルギー密度が高く、安全性が向上するため、電気自動車に最適です。

ブルカーは、学術研究者と電池メーカーの両方が電池技術の分野での探求、イノベーションを起こすことを可能にする最先端の分析装置を提供し、持続可能な未来を支えます。

持続可能で環境に優しい世界を創造することは、地球の未来にとって極めて重要です。そのためには、エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長く、コストが低い、リサイクル可能な先進的な電池が必要です。これによって再生可能エネルギーの導入が可能になり、化石燃料への依存度が下がり、気候変動の緩和にもつながります。電池技術の向上は、長距離電気自動車や電力網用のエネルギー貯蔵システムといった新技術の開発をサポートします。これを実現するために、研究者たちは新しい電池材料や化学物質、新しい製造方法、リサイクル方法を探求しています。核磁気共鳴（NMR）と電子常磁性共鳴（EPR）は、そのための重要な役割を果たし、研究者に電池材料の特性に関する貴重な知見を提供し、電池技術の進歩に貢献します。

NMRとEPRは、研究者やメーカーが電池材料を分子・原子レベルで分析できる強力なツールです。これらの技術は、電気化学的プロセス、電極や電解質材料で起こる化学的・物理的変化、電池の性能や効率に影響を与える要因に関する貴重な洞察を提供します。これらの材料の挙動を理解することで、研究者やメーカーは電池の寿命と性能を向上させる戦略を開発することができ、最終的にはより高度で持続可能な、コスト効率の高い電池を実現することができます。これらの高度な分析技術は電池の技術革新に大きな影響を与え、エネルギー貯蔵を改善することで気候変動との闘いを支援します。

核磁気共鳴（NMR）は、化学や材料科学で広く用いられている分析技術であり、電池材料の特性や挙動をより深く理解することができます。電池研究において、NMRは電池材料の原子・分子構造を調査し、充放電サイクル中に起こる化学的・物理的変化を同定することが可能です。このようなプロセスや重要な品質特性を効果的に測定するためには、電池の特性評価用の分析装置は、in-situで測定できる必要があります。NMR分光法は、電池分野における正確で応答性の高いin-situでの検出のニーズに対応する理想的な分析手法です。電池の劣化や故障の原因を特定し、より耐久性が高く安定した新しい電極材料の開発を可能にします。電池材料の化学的・物理的特性を詳細に分析することで、NMRは電池の性能と効率の最適化に役立ちます。

ブルカーは、電池分析技術のリーダーであるePROBE社との提携により開発された特殊な固体NMRプローブやin situ NMRアクセサリーを含む、電池研究用の包括的な装置を提供しています。これらのプローブは、NMRマグネットの内部で電気化学セルを充放電するための集電ポートを備えており、1または2 ch仕様で測定可能です。さらに、プローブには気体または液体の流路が内蔵されており、研究者はレドックスフロー、金属空気電池、および同様のシステムに関する実験を行うことができます。ブルカーのin situ固体NMR装置は、電池性能を最適化するための強力なツールです。電池の特性評価のための分析装置をin situで行うことにより、重要な品質特性を正確に検出し、充放電サイクル中に発生するプロセスを測定することができます。ブルカーの最先端NMRコンソールAVANCE NEOとePROBEを組み合わせることで研究者は重要な知見を収集し、最適化された研究開発と迅速で正確な品質検査の恩恵を受けることができます。

電子常磁性共鳴（EPR）は、材料中の不対電子を検出する高度な分光技術です。充放電サイクル中に電極材料の劣化を引き起こすフリーラジカルを特定することで、EPRは電気化学的条件下での材料の挙動に関する洞察を提供します。EPRは電子移動プロセスを調査し、その速度と効率に影響を与える要因を特定することで、研究者はエネルギー貯蔵のより効率的な電極材料を開発し、電池の安定性と効率を向上させることができます。ブルカーの電池研究のためのポートフォリオには、より安全で効率的な電池のためのデンドライト微細構造特性、成長メカニズム、めっき/剥離プロセスに関する洞察を提供する高度なin-situ EPRイメージング（EPRI）が含まれています。EPRを活用することで、研究者とメーカーは電池材料に対する理解を深め、電池の性能と安定性の向上につなげることができます。

磁気共鳴の力を電池の技術革新に活用する研究者たち

エネルギー貯蔵の第一線で活躍する科学者へのインタビューから、NMRとEPRが、より安定で効率的で耐久性のある新しい電極材料の開発にどのように役立ったかを明らかにします。エネルギー貯蔵技術が進化し続ける中、磁気共鳴は、研究者が電池材料の特性を理解し、エネルギー貯蔵用の新しい先端材料を開発するのに役立つ不可欠なツールであり続けるでしょう。電池研究におけるMRの最も顕著な例をご覧ください！

電池が高度化するにつれ、その開発と最適化に関する課題も複雑化しています。このような課題に対処するため、リチウムイオンディープサイクル電池分野のリーダーである米国のドラゴンフライエナジー社は、電池技術の研究開発を加速させるためにNMRを採用しました。NMRがどのように電池技術を進化させているかについては、ドラゴンフライ・エナジー社の研究開発責任者、ヴィック・シン氏へのインタビュービデオをご覧ください。

リチウムイオン電池は、その高いエネルギー密度と長寿命性により、電気自動車の動力源として好ましい選択肢となっています。二酸化炭素排出量削減を目的とした電気自動車生産の急増に伴い、リチウムイオン電池の需要は大幅に増加しています。最新の研究では、天然資源の枯渇を減らし、電池製造の持続可能性を確保することを目的として、リチウムイオン電池に適した電解質としてバイオマスや農業廃棄物の利用が調査されています。

市場競争力を維持するために、電池メーカーは生産プロセスを最適化し、スループット、スピード、効率、資源利用を改善する方法を常に模索しています。これらの課題に対処するためには、綿密な調査が基本となりますが、固体 in situ NMR法などの技術は、信頼性の高い包括的な分析ツールといえます。この技術は、電池製造のバリューチェーンとサプライチェーン全体を通して、電極、電解質、セパレーターを含む電池部品と材料の一貫した品質を保証することができます。磁NMRはまた、電池の製造工程をモニターし、電池の性能や安全性を損なう可能性のある欠陥や不整合を特定することもできます。NMRを活用することで、電池メーカーは生産能力を強化、バリューチェーンを合理化し、拡大する市場の需要に対応した、より効率的で耐久性がある費用対効果の高い電池分析技術を開発することができます。

TD-NMRは、緩和時間の検出に基づく磁気共鳴技術です。永久磁石を使用し、低磁場で動作します。試料の物理的特性を測定することができます。TD-NMRは、高速で、シンプルで、非侵襲的な方法であり、電池の研究開発に貴重な情報を提供することができます。TD-NMRは、リチウムイオン二次電池（LIB）の製造と性能の向上に利用できます。TD-NMRは、LIBの電極を被覆する電気化学的に活性な材料の液体混合物であるスラリーの物理的特性を測定することができます。スラリーの粘度、粒子分布、沈降をモニターすることで、TD-NMRはコーティングプロセスを最適化し、材料の無駄を省くことができます。