新しい保護コーティングによりリチウム金属電池の安全性とエネルギー密度が向上

カリフォルニア州スタンフォード大学

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」と機械工学准教授で研究論文の上級著者であるウェンディ・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。

「この方法は、幅広いクラスのセラミックスに拡張できる可能性があります。超薄表面コーティングにより、急速充電や圧力などの極端な電気化学的および機械的条件下で電解質が脆くなりにくくなり、安定性が高まることが実証されました。」と、スタンフォード大学で、この研究の上級著者であり、スタンフォード・ドーア持続可能性大学院の一部であるプレコートエネルギー研究所の所長であるウィリアム・チューエ教授の研究室で働いていたシン・シュウ教授は述べました。

研究者らは、走査電子顕微鏡内の特殊なプローブを使用して、表面を破壊するのに必要な力を測定しました。銀処理された固体電解質は、未処理の材料と比較して、亀裂を生じさせるためにほぼ 5 倍の圧力を必要としました。これまでのところ、実験は完全な電池ではなく、小さなテストサンプルを使用して行われました。研究者らは現在、銀ベースの表面処理を完全なリチウム金属バッテリーに適用し、急速充電の繰り返しや長期使用など、実際の条件下でコーティングがどの程度機能するかを確認しています。

さらに、チームは、バッテリー寿命を延ばす可能性のある、さまざまな角度で機械的圧力を使用するためのさまざまな戦略を研究しています。彼らはまた、硫黄ベースの固体電解質など、他の種類の固体電解質の故障を防ぐ方法も研究しており、これによりリチウムによる化学的安定性の向上などの利点が得られる可能性がある。これらの発見を新興のナトリウムベース電池に適用することは興味深い可能性であり、リチウムベース電池に対するサプライチェーンの制約を軽減するのに役立つ可能性があります。

研究者らは、銀が唯一の選択肢ではないと述べた。他の安価な金属、たとえば銅を使った初期のテストでは、有望な結果が示されました。これらの発見を総合すると、次世代バッテリーにとって重要となる可能性のある脆弱な材料を強化するための、新しくて柔軟なアプローチが示唆されます。

詳細については、Wendy Gu までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。表示するには JavaScript を有効にする必要があります。