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導電性アモルファスLLTO薄膜コーティングでLiCoO₂電池の4.5V動作を長寿命化

概要

高電圧でサイクルされるLiCoO₂の安定性問題は、高エネルギー密度と長寿命のリチウムイオン電池開発における喫緊の課題です。個々のLiCoO₂粒子を他の金属酸化物やフッ化物でコーティングすることはサイクル性能改善に有効ですが、典型的なコーティング材料が不良導体であるためレート特性が犠牲になりがちです。本研究では、最も成功した固体電解質の一つであるアモルファスLi₀.₃₃La₀.₅₆TiO₃(α-LLTO)を、磁気スパッタリングにより作製済みLiCoO₂電極表面に直接堆積させました。これにより、作製済みLiCoO₂電極固有の導電ネットワークを維持しつつ、バルク内およびカソード-電解質界面でのLi⁺輸送を向上させました。さらに、サイクル後のLiCoO₂電極表面の化学分析により、α-LLTO堆積により大部分の安定性問題が解決できることが示唆されました。最適化された堆積時間により、α-LLTOで修飾されたLiCoO₂電極は、0.2Cで2.75-4.5V(vs. Li⁺/Li)のカットオフ電圧範囲で150 mAh/gの安定した可逆容量を示し、5Cでは従来電極比84.6%の容量向上を達成しました。

はじめに

リチウムイオン電池(LIB)は、携帯電子機器、電気自動車、定置電源などのエネルギー貯蔵需要増大に伴い、高エネルギー密度、高レート特性、長寿命が強く求められています。LIBのエネルギー密度を高める最も直接的な方法は、より高容量または高作動電圧の正極材料を採用することです。LiCoO₂(LCO)正極を用いたLIBは、高比容量、高酸化還元電位、長寿命の利点により、過去30年間で携帯電子機器の電源として大きな商業的成功を収めてきました。しかし、一般的に利用されるLCOの比容量は、上限カットオフ電圧4.2V(vs. Li⁺/Li)で140 mAh/g程度にとどまり、理論容量272 mAh/gの約半分です。理論的にはカットオフ電圧を上げれば利用比容量を向上できますが、カットオフ電圧が4.2Vを超えるとLCOのサイクル安定性は低下します。さらに、4.5V以下でのLCO容量劣化は、LiPF₆系有機電解質とLCO正極の液-固界面における副反応、Co溶解、HF腐食が主因であることが示されています。したがって、LCO表面修飾により4.5Vで安定したカソード-電解質界面を実現するための多大な努力が払われてきました。

構造的特徴から、表面修飾は2タイプに分類されます。1つは、電極作製前に個々のLCO粒子上に修飾層をコーティングするタイプです。もう1つは、作製済みLCO電極表面に修飾層を堆積させるタイプです。個々のLCO粒子上の表面修飾はサイクル安定性改善に有効で、低コストの湿式化学法で容易に実現できますが、いくつかの欠点があります。例えば、スラリー混合と電極カレンダー工程での激しい機械的衝撃で粒子上の修飾層が破損する可能性があります。また、個々の粒子上の修飾層が電極バルク内のイオン伝導度と電子伝導度のバランスを崩す恐れがあります。一方、作製済みLCO電極の表面修飾は、LCO造粒、スラリー混合、電極カレンダー工程の後に薄い修飾材料層を電極表面のみに導入するため、上記問題を解決する可能性があります。

材料化学の観点では、表面修飾はフッ化物(AlF₃、CeF₃、LaF₃等)や酸化物(Al₂O₃、MgO、ZrO₂、ZnO等)のような不活性化合物、またはLi⁺伝導体(LiAlO₂、Li₄Ti₅O₁₂、Li₃PO₄、Li₂CO₃等)によって実現されます。不活性化合物による表面修飾は高電圧でのLCO-電解質界面安定化に役立ちますが、低伝導コーティング層により電荷輸送と移行が制限されるため、LCO正極のレート特性を損なう可能性があります。一方、Li⁺伝導体による表面修飾は、カソードバルクの導電ネットワークを大きく損なわず、界面安定性を改善できます。特に、Li⁺伝導性界面層はLiPF₆系電解質とLCO正極間のLi⁺移行を助け、望ましい低界面インピーダンスをもたらします。

本研究では、最も成功した固体電解質の一つであるアモルファスLi₀.₃₅La₀.₅₆TiO₃(α-LLTO)を、磁気スパッタリングにより作製済みLCO電極表面に直接堆積させました(図1a)。スパッタ堆積α-LLTOは高温熱処理を必要とせず、室温で1.54×10⁻⁵ S/cmの高いイオン伝導度を示します。電極レベルのα-LLTO表面修飾は、LCO正極のバルク伝導を損なわないだけでなく、LCO-電解質界面での電荷移動動力学を向上させ、レート特性に有利です。さらに、堆積α-LLTOはLCO-電解質界面でのCo溶解、HF腐食、その他副反応を効果的に防ぎます。LCO-LLTO-電解質構成により比較的安定した界面分極が得られます。その結果、α-LLTOによる電極表面修飾により、LCOが4.5V(vs. Li⁺/Li)の上限カットオフ電圧で100サイクル以上安定動作し、0.2Cで150 mAh/gの可逆容量を達成しました。

a 従来のLCO電極とα-LLTO修飾層を持つLCO電極の模式図。 b LLTOターゲット(青線)、Si基板(暗青線)、Si基板上α-LLTO薄膜(紫線)、無修飾LCO正極(黒線)、異なるLLTO堆積時間のα-LLTO修飾LCO電極(赤線:10分、ピンク線:30分、黄線:60分、緑線:100分)のXRDパターン。 c Si基板上LLTO薄膜の上面および側面SEM像。 d Si基板上LLTO薄膜のEIS曲線。 e–g e 無修飾LCO、f LCO-LLTO-10、g LCO-LLTO-100の上面SEM像。 h LCO-LLTO-10表面のEDSマッピング

材料と方法

LCO正極の作製とα-LLTOによる表面修飾

LCO電極は、市販LCO粉末(Aladdin、~2 μm、99%、80 wt%)、アセチレンブラック(MTI KJ Group、10 wt%)、PVDF(Arkema、10 wt%)をよく混合し、Al箔上に塗布して作製しました。溶媒としてN-メチルピロリドンを用いてスラリーを調製しました。カレンダー処理後の鋳造LCO電極を110℃で一晩動的真空乾燥し、溶媒と微量水分を除去しました。鋳造LCO正極の統計的厚さは~40 μm(マイクロメータによる測定)です。LiCoO₂活物質の充填密度は4.96 mg/cm²(4.5Vから2.75V vs. Li/Li⁺への初回放電で0.97 mAh/cm²)です。α-LLTOは磁気スパッタリングによりSi基板またはLCO電極表面に堆積させました。真空度を5×10⁻⁴ Pa以下まで排気しました。LCO電極を真空中で120℃、30分予熱し、閉じ込められた水分と空気を除去しました。Li₀.₃₃La₀.₅₆TiO₃ターゲットを5分間プリスパッタリングし、表面の塵と異物を除去しました。ターゲットと基板の距離は15 cm。スパッタリング出力は120 W。作動圧力は1 Pa。アルゴンと酸素の比率は70:30(sccm)。基板温度は120℃に維持しました。異なる厚さの修飾層を得るため、スパッタリング時間を10、30、60、100分に設定しました。異なるα-LLTO堆積時間のサンプルをそれぞれLCO-LLTO-10、LCO-LLTO-30、LCO-LLTO-60、LCO-LLTO-100と表記します。α-LLTO堆積後、得られたサンプルを真空下で24時間乾燥し、閉じ込められた水分を除去してから使用しました。α-LLTOのイオン伝導度を決定するため、平坦なSi基板上に堆積させました。堆積プロセスパラメータはLCO電極表面修飾と同様ですが、堆積時間は240分としました。

材料キャラクタリゼーション

Si基板上LLTO薄膜の厚さは断面走査電子顕微鏡(SEM)で決定しました。相分析はCuKα放射を用いたX線回折(XRD)で実施しました。LCO電極の表面形態はSEMで観察しました。Co、C、La、Tiの元素分布はエネルギー分散型X線分析(EDS)で分析しました。X線光電子分光(XPS、Thermo Fisher Escalab Xi+)を用いて電極表面の化学組成を分析しました。

電気化学測定

LCO電極を直径12mmの円形にパンチし、80℃で一晩動的真空乾燥して空気から吸着した微量水分を除去しました。セパレータ(ポリプロピレン、Celgard 2400)を50℃で一晩真空乾燥しました。サンプルの電気化学特性は、リチウム金属負極を備えた2032コインセルで評価しました。液体電解質は、EC:DMC:EMC(体積比1:1:1)混合溶媒中の1M LiPF₆溶液です。全セルはAr充填グローブボックス内で組み立てました。サイクル試験は、室温で2.75-4.5V(vs. Li⁺/Li)の間で様々な充放電レートで実施しました(NEWARE CT-3008)。サイクリックボルタンメトリー(CV)と電気化学インピーダンス分光(EIS)はPrinceton VersaSTAT 3F電気化学アナライザで実施しました。EIS測定では、振幅電圧10mV、周波数範囲0.1Hz-100kHzとしました。

結果と考察

エネルギー密度とレート特性は正極技術の2つの核心要件です。これらはLCO正極の表面修飾に課題を提起します。電極内のLi⁺とe⁻の導電ネットワークを維持しつつ、LCO-電解質界面を安定化するため、不活性材料の導入を最小限に抑える必要があります。図1aに示すように、作製済みLCO電極を磁気スパッタリングでα-LLTOでコーティングすることを提案します。スパッタ堆積α-LLTOは、LCO電極表面にコンフォーマルで緻密な極薄オーバーレイヤーを形成します。以下の利点が合理的に期待できます。第一に、電極作製工程での修飾層への潜在的ダメージを回避できます。第二に、修飾電極中のα-LLTO質量分率は非常に小さいです。第三に、LCOと電解質の望ましくない相互作用を効果的に抑制できます。最後に最も重要なのは、堆積α-LLTOが主に電極表面近傍に存在するため、電極内のLi⁺とe⁻の輸送経路を損なわないことです。

ここで用いたLi₀.₃₅La₀.₅₆TiO₃ターゲット由来のX線回折ピークは、結晶性LLTO(PDF#46-0465)とよく一致します(図1b青線)。しかし、Si基板上LLTO薄膜のXRDパターンには結晶性LLTOに属する回折ピークは観察されません(図1b紫線)。28.48°の回折ピークはSi基板に帰属されます。したがって、堆積直後のLLTO薄膜はアモルファスであると結論付けられます。図1cに示すように、堆積LLTO薄膜は均質で緻密、結晶粒を持たず、これがアモルファス性をさらに裏付けています。α-LLTO薄膜のイオン伝導度は、EIS曲線(図1d)のZre軸切片から求めたバルク抵抗と、側面SEM像(図1cインセット)で決定した厚さに基づいて計算しました。堆積α-LLTO薄膜は室温で1.54×10⁻⁵ S/cmのイオン伝導度を示し、報告されているα-LLTO薄膜固体電解質の値と比較可能です。また、先行研究でα-LLTO薄膜固体電解質が優れた化学的・電気化学的安定性を持つことが実証されています。したがって、LCO電極表面へのα-LLTO堆積により、高度に安定かつ伝導性の高いLCO-電解質界面を構築する可能性があります。

スパッタ堆積によりLCO電極上へのα-LLTOコンフォーマルコーティングが実現できます。図1eに示すように、無修飾LCO電極は多孔質微細構造を持ちます。10分間のα-LLTO堆積による表面修飾では電極表面形態はほとんど変化しません(図1f)。堆積時間を100分に延長すると、α-LLTO粒子の蓄積と凝集によりオーバーレイヤーが観察されます(図1g)。しかし、EDSマッピング像で観察されるLaとTiの分布(図1h)は、10分堆積後でもLCO電極がα-LLTOによって均一かつコンフォーマルに覆われていることを示唆しています。CoとCも表面組成分析で検出され、堆積α-LLTOの厚さがEDSのプローブ深度(~1μm)よりはるかに薄いことを示しています。α-LLTO修飾の有無にかかわらずLCO電極のXRDパターンは類似し、LLTO堆積時間を100分に延長してもLCOの標準パターン(PDF#44-0145)とよく一致します(図1bの緑、黄、ピンク、赤、黒線)。これは堆積LLTOがアモルファス形態である事実と整合します。

多孔質LCO電極表面が粗いため、LLTO層の厚さを直接決定することは困難です。しかし、同じプロセスパラメータで平坦基板上に堆積したLLTO薄膜の厚さは有用な参照になります。そこで、シリコンウェハ上にLLTO薄膜を堆積させ、プロフィロメータで厚さを測定しました。10分、30分、60分、100分のスパッタリングで堆積したLLTO薄膜の厚さはそれぞれ11nm、24nm、52nm、80nmでした(図S1)。

作製済み電極表面へのα-LLTO堆積により、LCOのサイクル安定性とレート特性を効果的に改善できます(図2)。α-LLTOコーティングあり/なしのLCO電極を、2.75-4.5V(vs. Li⁺/Li)のカットオフ電圧範囲で様々なサイクルレートでサイクル試験しました。高電圧での初期充放電サイクルでは、不可逆相転移とLCO結晶構造の破壊が容量劣化を支配します。一方、LiCoO₂-電解質界面での望ましくない副反応の悪影響は、界面反応の遅い動力学により後期サイクルでますます顕著になります。LLTO表面修飾は主にLiCoO₂-電解質界面での望ましくない副反応に対処します。したがって、全サンプルは0.2Cで類似の初期放電容量(~195 mAh/g)を示し、最初の20サイクルでの容量保持率も近い値です(図2a参照)。後続サイクルでは、堆積α-LLTOの正の効果が徐々に現れます。100サイクル後、無修飾LCOの放電容量は108 mAh/gに低下し、初期放電容量比で55.4%の保持率にとどまります。一方、LCO-LLTO-10は100サイクル後も150 mAh/gという高い安定放電容量を維持し、76.9%の容量保持率を達成しました。しかし、多孔質電極表面により厚いオーバーレイヤーが形成されると界面インピーダンスが増大します(図S2)。LCO-LLTO-30、LCO-LLTO-60、LCO-LLTO-100の100サイクル後放電容量は、無修飾LCOとLCO-LLTO-10の間に位置し、それぞれ122、124、123 mAh/gでした。後期サイクルではLCO-LLTO-10が優れた容量保持を示し、本研究ではサイクル安定性とカソード-電解質界面での電荷キャリア輸送の最適バランスを達成したと考えられます。

a 無修飾LCOと異なるα-LLTO堆積時間で修飾された電極のサイクル性能。 b 無修飾LCOとLCO-LLTO-10のレート性能。 c、d 異なるサイクルレートでのc 無修飾LCOとd LCO-LLTO-10の電圧-容量プロット

図2aに相当な容量劣化が観察されますが、これは電極レベルLLTOコーティングが高電圧でのLCOサイクル安定性に正の効果をもつことを本研究で実証したにもかかわらず、LCOの不可逆相転移と結晶構造破壊に起因するものと考えられます。一方、高電圧でサイクルされるLCOの構造安定性向上に向けた外来元素ドーピングの取り組みは最近大きな進展を遂げています。コーティングとドーピングの相乗効果に基づく、高電圧でのLiCoO₂性能向上戦略の開発が期待されます。

サイクルレートが上がるにつれ、α-LLTO修飾の正の効果がより顕著になります(図2b)。無修飾LCOとLCO-LLTO-10の異なるサイクルレートでの平均放電容量を表1に示します。0.1Cで2サイクルの活性化後、無修飾LCOの比容量は0.2Cと0.5CでLCO-LLTO-10とわずかに低いものの非常に近い値です。しかし、サイクルレートが1Cを超えるとLCO-LLTO-10は無修飾LCOより著しく高い容量を示します。例えば、5CでのLCO-LLTO-10放電容量は72 mAh/gに達し、無修飾LCO(39 mAh/g)より84.6%高い値です。さらに、無修飾LCOの放電電圧プラトーは2Cでほぼ消失します(図2c)、これは電荷移動動力学の制限による界面分極の悪化を示します。一方、LCO-LLTO-10は2Cで観察可能な放電電圧プラトー(~3.76V)を維持します(図2d)。LCO-LLTO-10の優れたレート特性は、適切なα-LLTO堆積時間による表面修飾がLi⁺とe⁻の導電ネットワークを維持するだけでなく、電荷輸送および/または移行を何らかの形で向上させることを示唆します。

レート性能試験に用いたセルでは、初期20サイクルで図2aのような急速な容量劣化が見られません(図2b)、これは図2aの傾向と著しく異なります。これはレート性能試験前の0.1Cでの2サイクル活性化により、均一で緻密なカソード電解質界面(CEI)層の形成が助けられたためと考えられます。

堆積α-LLTOがLCO電極内の伝導に及ぼす影響を調べるため、室温でカソード-液体電解質-リチウム金属構成での無修飾LCOとLCO-LLTO-10のEIS測定を行いました(図3a)。両者のEIS曲線のZre軸切片が異なることは、LCO-LLTO-10を用いた試験セルが無修飾LCOを用いたセルよりもはるかに小さい全抵抗を持つことを示します。低周波数での傾斜線はワルブルグインピーダンスに由来し、LCO電極内のLi⁺拡散に関連します。Li⁺拡散係数D_Li⁺は式(1)で計算できます。

$$ D_{Li^+} = 0.5 \times \left( \frac{RT}{AC\delta F^2 n^2} \right)^2 $$ (1)

a 無修飾LCOとLCO-LLTO-10の電気化学インピーダンススペクトルと等価回路モデル。 b 無修飾LCOとLCO-LLTO-10のZreとω⁻¹/²の相関。 c、d 2.75-4.5V、掃引速度0.05mV/sでのc 無修飾LCOとd LCO-LLTO-10のCVプロファイル

ここで、Rは理想気体定数(J/(mol·K))、Tはケルビン温度(K)、Aは実効電気化学界面積(cm²)、nは担体イオンの電荷数、Fはファラデー定数(C/mol)、Cは単位胞体積あたりのLi⁺濃度(mol/cm³)、δはワルブルグ係数(Ω·(rad/s)⁰·⁵)です。ワルブルグ係数δは式(2)で決定できます。

$$ Z_{re} = R_{total} + \delta \omega^{-1/2} $$ (2)

ここで、Zreはワルブルグインピーダンス、Rtotalは斜線の開始抵抗、ωはインピーダンス掃引周波数fに対応する角周波数(ω=2πf)です。図3bのZre vs. ω⁻¹/²プロットによれば、LCO-LLTO-10のD_Li⁺は7.52×10⁻¹² cm²/sと決定され、無修飾LCO(2.32×10⁻¹² cm²/s)よりはるかに高い値です。これは堆積α-LLTOによりLCO電極内のバルクイオン伝導が向上することを示唆します。

堆積α-LLTOがLCO-電解質界面でのLi⁺輸送に与える影響はより顕著であるはずです。測定インピーダンススペクトルを、図3aインセットの等価回路モデルでフィッティングしました。ここで、Rs、Rf、Rctはそれぞれ電解質バルク抵抗、正極表面固体電解質界面抵抗、電荷移動抵抗を表します。その結果、LCO-LLTO-10は無修飾LCO(101.8Ω)よりはるかに低いRct(40.9Ω)を示し、堆積α-LLTOがLCO-電解質界面でのLi⁺輸送を劇的に向上させることを示しています。

一般的に、追加界面は電荷輸送と移行の困難さを増すと考えられています。しかし、上記EIS解析は、α-LLTOをLCO電極表面に堆積させることで、バルク内Li⁺輸送と界面電荷移行の両方が改善されることを示唆します。これは観察されたLCO-LLTO-10の優れたレート特性(図2c、d)とよく一致し、以下の事実に起因すると考えられます。第一に、堆積α-LLTOのイオン伝導度はLCO(~10⁻⁸ S/cm)よりはるかに高いです。第二に、物理気相堆積であるスパッタリングプロセスにより、堆積α-LLTOがLCO粒子と良好に接触した界面を形成します。第三に、堆積α-LLTOが電極内に追加のLi⁺輸送経路を提供する可能性があります。

一般的にRctの低下は分極電圧(ΔV、CVプロファイルの酸化還元ピーク間差)の低下につながると考えられています。図3c、dは無修飾LCOとLCO-LLTO-10の5サイクル分のCVプロファイルを示し、ΔVの値を表2にまとめました。予期せぬことに、LCO-LLTO-10は5サイクル全てで無修飾LCOより大きなΔVを示しました。LCO-LLTO-10のより小さなRctとより大きなΔVの矛盾は以下のように説明できます。LCO-LLTO-10の実験的に決定されたRctはLCO-LLTO界面に由来する可能性があり、無修飾LCOのRctはLCOと液体電解質の界面に由来します。前述の通り、物理気相堆積により良好に接触したLCO-LLTO界面が形成され、LCO-LLTO-10のRct低下をもたらします。一方、ΔVは液体電解質からLCOまでの総インピーダンスに由来します。α-LLTOの導入によりLCO-LLTO-電解質構成でLCO-LLTO界面とLLTO-電解質界面の2つの界面が追加されます。さらに、α-LLTOのイオン伝導度は最も伝導性の高い固体電解質の一つであるにもかかわらず、液体電解質よりはるかに低いです。したがって、LCO-LLTO-10でより大きなΔVが観察されます。カソードと電解質間の電荷移行が一般的に律速段階であり、α-LLTO固体電解質とLiPF₆系液体電解質間のLi⁺輸送は比較的高速であるため、LCO-LLTO-10でより良いレート特性とより大きなΔVが観察されるのは合理的です。より重要なのは、LCO-LLTO-10が5サイクルで一定のΔVを維持するのに対し、無修飾LCOのΔVは変動し増加傾向を示すことです(表2)。これは無修飾LCOと液体電解質の界面が継続的に劣化するのに対し、LCO-LLTO-電解質構成が優れた界面安定性をもたらすことを示唆します。

前述の通り、個々の粒子上の非導電性材料コーティング層は界面電荷移行を阻害する可能性があります。一方、RctとΔVの解析は、堆積された極薄α-LLTO層によりLCO電極と液体電解質間の電荷移行が促進されることを示しています。したがって、個々の粒子が導電性α-LLTO超薄層で適切にコーティングされれば、LiCoO₂のサイクル安定性とレート性能がさらに改善されることが期待されます。

高カットオフ電圧でサイクルされるLCOの劣化メカニズムには、電解質の脱リチウム化LCOによる酸化、LCOからの酸素放出、Co溶解、カソード-電解質界面でのHF腐食などが含まれますが、これらに限定されません。堆積α-LLTOが界面をどのように安定化するかを明らかにするため、100回充放電サイクル後の無修飾LCOとLCO-LLTO-10ベース電極の表面化学をXPSで分析しました。サイクル後のLCO-LLTO-10由来スペクトルではLa、Ti、Oの信号がはるかに強く(図4a)、LaとTiがサイクル中に電解質中に溶出しないことを示しています。さらに、LLTO中のチタン酸素に帰属される530eVのピークが、サイクル後LCO-LLTO-10由来O 1sスペクトルで観察されます(図S3)。また、F 1sスペクトルはPVDFと吸着液体電解質由来の2ピークのみを示し、他のフッ化物(LaF₃、TiF₃、TiF₄)に関連するピークは観察されません(図4b)。これらの観察は、LCO電極表面に堆積したα-LLTOが長期充放電サイクル中に安定であることを示唆します。

100サイクル後の無修飾LCOとLCO-LLTO-10のXPSスペクトル。 a 全スペクトル、 b F 1sスペクトル、 c Co 2pスペクトル、 d C 1sスペクトル

LCO-LLTO-10では、望ましくない副反応によりHFが生成された場合、堆積α-LLTOによってLCO粒子がHF腐食から保護されます。LCO-LLTO-10由来のより強いO信号(図4a)は、LCOの酸素放出が堆積α-LLTOによって潜在的に防止されることを示唆します。また、LCO-LLTO-10は無修飾LCOより吸着液体電解質溶質に帰属されるはるかに強いピークを示します(図4b)。これは堆積α-LLTOが電極表面での液体電解質濡れ性を向上させるか、液体電解質分解を抑制することを示します。Co 2pに対応するピークはLCO-LLTO-10ではほぼ観察されませんが、無修飾LCOでは明確です(図4c)。堆積α-LLTOがCo³⁺/⁴⁺の電極表面への拡散と液体電解質への溶出を防止する可能性があります。C1sスペクトルで観察される283eV、285eV、286eV、289eV付近のピークは、それぞれカーボンブラック、PVDF、ポリエーテル炭素(O-C-O)、カルボニル基(C=O)に関連します。一般に、ポリエーテル炭素とカルボニル基は電解質分解に起因すると考えられています。LCO-LLTO-10由来曲線にC=Oピークがないことは、少なくとも一部の副反応が堆積α-LLTOによって阻害されることを実証します。以上の分析に基づき、4.5VでのLCO正極の安定性問題の大部分は堆積α-LLTOによって解決されるはずです。

結論

要約すると、作製済み電極表面へのα-LLTO堆積により、高カットオフ電圧でのLCOのサイクル安定性とレート特性が改善されました。堆積α-LLTOのLCO-電解質界面への影響を詳細に調査しました。結果は、高カットオフ電圧でのLCO安定性問題の大部分、すなわちHF腐食、Co溶解、その他望ましくない副反応が堆積α-LLTOによって解決可能であることを示唆します。さらに、導電性α-LLTOの導入により、バルク内Li⁺輸送とLCO-電解質界面での電荷移行の両方が向上しました。適切な堆積時間により、α-LLTO表面修飾はLCOを2.75-4.5V(vs. Li⁺/Li)で安定サイクル可能にし、0.2Cで150 mAh/gの可逆容量を達成しました。高サイクルレートでは、α-LLTO修飾の正の効果がより顕著になります。本研究で提示したLCO表面修飾戦略は、LIBのエネルギー密度とサイクル寿命向上への期待できる道筋を提供します。

データと材料の入手可能性

本記事の結論を支持するデータは、記事内および追加ファイルに含まれています。

略語

LIBs:
リチウムイオン電池
LCO:
LiCoO₂
LLTO:
Li₃ₓLa₂/₃₋ₓTiO₃
α:
アモルファス
HF:
フッ化水素酸
SEM:
走査電子顕微鏡
CV:
サイクリックボルタンメトリー
EIS:
電気化学インピーダンス分光
XRD:
X線回折
EDS:
エネルギー分散型X線分析
XPS:
X線光電子分光
PVDF:
ポリ(フッ化ビニリデン)
EC:
エチレンカーボネート
DMC:
ジメチルカーボネート
EMC:
エチルメチルカーボネート
CEI:
カソード電解質界面

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