エネルギー貯蔵に革命を起こす:固体電解質リチウム電池は安全性、容量、速度を提供します

アンドリュー・コルセリ

固体電解質の結晶構造を機械的圧力から保護する、銀の原子的に薄いコーティングと表面下のいくつかの銀原子のアーティストによるレンダリング。 (画像：趙朝陽)

理論的には、電池の反対側の電極間に液体ではなく固体の電解質を使用することで、現在市販されているリチウムイオン電池よりも安全で、はるかに多くのエネルギーを蓄え、かなり速く充電できる充電式リチウム金属電池が可能になるはずです。何十年もの間、科学者や技術者は、リチウム金属電池の大きな可能性を実現するためにいくつかの道を模索してきました。研究中の固体結晶電解質の主な問題は、電池が故障するまで使用中に成長する微細な亀裂の形成でした。

スタンフォード大学の研究者らは、これらの小さな欠陥がどのように形成され拡大するのかを特定した3年前に発表した調査結果に基づいて、固体電解質の表面に非常に薄い銀コーティングをアニーリングすることで問題が大幅に解決される可能性があることを発見した。 Nature Materials で報告されているとおり 、このコーティングは、機械的圧力による破壊に対して電解質の表面を 5 倍強化します。また、既存の欠陥は、特に急速充電中に内部に潜り込むリチウムの影響を受けにくくなります。これにより、ナノ亀裂がナノ隙間に変化し、最終的にはバッテリーが役に立たなくなります。

「私たちや他の研究者が改良に取り組んでいる固体電解質は、リチウムイオンが簡単に行き来できるようにする一種のセラミックですが、脆いのです」と、主著者である機械工学准教授のウェンディ・グー氏は言う。 「信じられないほど小さな規模ではありますが、家庭にある陶器の皿やボウルの表面に小さな亀裂があるのと同じです。」

「実際の全固体電池は、カソード、電解質、アノードのシートを積層して作られています。これをわずかな欠陥もなく製造することはほぼ不可能であり、非常に高価です」と Gu 氏は述べています。 「私たちは保護面の方が現実的であると判断しました。ほんの少しの銀がかなり良い仕事をするようです。」

他の科学者による以前の研究では、同じ固体電解質材料（リチウム、ランタン、ジルコニウム原子と酸素の混合物から「LLZO」として知られる）上に金属銀コーティングを使用することが調査されており、今回の研究はそれを対象としたものでした。以前の研究では電池性能を向上させるために金属銀が使用されていましたが、新しい研究では電子を失った溶解した形態の銀 (Ag+) が使用されました。この溶解し帯電した銀は、金属の固体の銀とは異なり、亀裂の形成を防ぐセラミックの硬化に直接関与します。

研究者らは、LLZO 表面に 3 ナノメートルの厚さの銀の層を堆積し、サンプルを 300 °C (572 °F) まで加熱しました。加熱中、銀原子は電解質の表面に拡散し、はるかに小さなリチウム原子と20～50ナノメートルの深さまで入れ替わった。銀は金属銀ではなく正に帯電したイオンとして残り、これが亀裂の形成を防ぐ鍵になると科学者らは考えている。欠陥が存在する場合、一部の正の銀イオンの存在により、リチウムが電解質内に侵入して破壊的な枝を成長させることも防止されます。

「私たちの研究は、ナノスケールの銀ドーピングが電解質表面での亀裂の発生と伝播の仕組みを根本的に変え、次世代エネルギー貯蔵技術向けの耐久性と耐故障性の固体電解質を生成する可能性があることを示しています」と、当時研究主任であり、現在はアリゾナ州立大学工学部助教授である Xin Xu 氏は述べています。

こちらは独占的な技術ブリーフです。 Xu とのインタビュー。長さと明瞭さのために編集されました。

技術概要 :コーティングのアニーリング中に直面した最大の技術的課題は何ですか?

シュウ :答える前に、私たちがシルバーについて考えた最初のグループではないことを明確にしたいと思います。銀コーティングは、数年前から固体電池で主にリチウム金属と固体電解質の間の中間層として使用されてきました。明らかに、それらはうまく機能します。しかし、私たちは少し異なるアイデアでこれに到達しました。私たちは銀を魔法の要素として考え始めました。大きくて分極性が高いです。

これは、銀のアームが非常に柔軟であるため、小さなイオンができない場所に物質を押し込むことができることを意味します。ここでの私たちの仮説は非常に単純です。銀が電解質をセル内に拡散または押し込むことができれば、圧縮応力が発生し、実際に材料を強化できる可能性があります。こうすることで、材料の亀裂に対する耐性が高まります。

最初にこのアイデアを思いついたとき、私たちはこう思いました。「それはどれほど難しいことだろう?」そこに銀を置くだけです』それはとてもとても難しいことが分かりました。最大の技術的課題は、固体電解質は空気に非常に敏感であるということでした。水分は CO2 と反応し、これによって表面に汚染層が形成されます。研究室でも、これは簡単に起こります。電解液の表面にこのような汚染が形成されると、銀は私たちが望んでいることを行うことができなくなります。

私たちは最終的に、表面の清潔さがすべてであることに気づきました。したがって、超清浄な表面を作成すると、銀が電解質の材料に拡散し、目的の圧縮応力を生成できる可能性があります。それ以来、私たちは研究室の環境管理に非常にこだわるようになりました。私たちはサンプルの準備から始まり、コーティングの特性評価からテストまでを行いました。すべてのステップは、厳密に制御された空気のない状態で行われました。このプロジェクトのためだけに、非常にユニークなカスタムのエアフリー移送容器も設計しました。これはAmazonでも販売しています。それを実行すると、結果は非常に明白でした。とても楽しみです。

技術概要 :今後の仕事の計画はありますか?

シュウ :次のステップに向けていくつかのことを念頭に置いています。まず、これがおそらく私の一番好きな部分だと思いますが、他の要素も試してみたいと考えています。これらの結果は、イオンのサイズが重要な要素であることを示唆しています。それが本当なら、銀は銀だから特別というわけではありません。大きいから特別なんです。これは、安価だが大きな要素も機能する可能性があることを意味します。たとえば、ナトリウム、カリウム、銅などです。実際、銅に関してはすでに非常に有望な結果がいくつか得られています。