電池：グラファイトにおけるアバランシェ様インターカレーションと粒子内相関

グラファイトはリチウムイオン電池において最も広く用いられている負極材料であるが、リチウム挿入過程とそれに伴うダイナミクス、特に希薄段階における過程については、まだほとんど分かっていない。動作条件下で、対称性を破る相転移がどのように連続的に起こるのかに関しては、基本的理解が不足している。今回我々は、オペランド光学顕微鏡法を用いて、グラファイトへのインターカレーションの希薄段階におけるイオンインターカレーションのダイナミクスに関する統一的描像を提示する。グラファイト粒子は、高速で局所的なデインターカレーション–インターカレーションの段階的事象を経て、数秒以内にマイクロメートルサイズ領域のデインターカレーション–インターカレーションに達することが示された。これは、無秩序物質に見られる「アバランシェ」という相転移現象に類似している。この現象では、複数の準安定状態間での跳躍に起因して、秩序パラメーターが段階的に変化する。修正ランダム場イジング模型を用いて、アバランシェが、インターカレーションダイナミクスを乱す静的無秩序と関係付けられた。この模型はまた、段階間での見かけ上連続的な転移と、実験的なアバランシェ統計も説明できる。さらに我々は、一連のアバランシェ事象を時空間解析する方法を開発し、大きな不均一接続性を明らかにした。今回の成果は、予想外の相転移挙動を説明する際の局所的かつ静的な無秩序の役割を浮き彫りにするとともに、層状電池材料を研究するための新しいツールと概念を提供する。

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