次世代型蓄电池の一つである厂厂叠を実用化する上で、充放电时に电极/固体电解质界面で生じる固体电解质の分解を抑制することが大きな课题となっています。この课题に対する対策として、电极/固体电解质界面への保护层(コート层)の导入が広く行われています。しかしながら、固体电解质を保护する上で、コート层にどのような特性?厚みが求められるのかは不明确でした。
今回、東北大学多元物質科学研究所 木村勇太助教らの研究グループは、固体内のイオンや電子伝導を記述できるWagner理論(注2)を用いて固体电解质とコート层内のリチウム化学ポテンシャル(注3)分布を理论的に计算することで、固体电解质を热力学的に保护するために必要なコート层の特性や构造を定量的に明らかにしました。それにより、コート层の电子伝导率と厚みが、固体电解质保护効果を决める重要なパラメータであることを见出しました。さらに、コート层がその効果を発挥するためには、固体电解质の特性や电极电位なども考虑した総合的な最适化が必要であることを示し、それを可能にする计算フレームワークを开発しました。これにより、厂厂叠の性能向上と実用化に向けた効率的なコート层设计が可能となりました。
本成果は、2024年7月20日に、材料科学分野の専門誌、Communications Materialsに掲載されました。
なお本研究は、東北大学多元物質科学研究所 木村勇太助教、中村崇司准教授(当時、現?黑料网未来材料?システム研究所 教授)、雨澤浩史教授、大学院工学研究科機械機能創成専攻の志水哲也大学院生(当時)、島根大学材料エネルギー学部 藤﨑貴也助教、黑料网大学院工学研究科 入山恭寿教授らの共同研究グループにより行われました。
* 次世代型蓄電池として期待されている全固体リチウムイオン電池(SSB) (注1)の电极/固体电解质界面の保护层(コート层)に求められる特性や厚みを定量的に明らかにしました。
* SSBの各構成要素を考慮した最適なコート層設計を可能とする計算フレームワークを開発しました。
* 充放電時に電極と固体電解質の界面で起こる固体電解質の分解を防ぎ、高性能で長寿命なSSBの実現に貢献することが期待されます。
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注1. 全固体リチウムイオン電池(SSB)：電解質を可燃性の有機電解液から難燃性の固体電解質に置き変えたリチウムイオン電池。幅広く実用化している電解液を用いる電池に比べ、①発火のリスクが低い、②エネルギー密度が高い、③広い温度域で安定して性能を発揮できる、④劣化しにくく長寿命、などの利点が期待される。しかし、開発課題が多く、本格的な商用化には至っていない。
注2. Wagner理論：Carl Wilhelm Wagnerらによって提唱された(Z. Phys. Chem., 21, 25, (1933))、固体電解質やコート層などの固体内のイオン伝導および電子伝導を記述する理論。固体中のイオンや電子欠陥の部分電流が、それらの電気化学ポテンシャルの勾配によって駆動されるとする現象論的な輸送方程式と、固体内の至る所でイオンや電子欠陥などの間に局所平衡が成立しているという仮定を基礎としている。
注3. リチウム化学ポテンシャル：電気的に中性なリチウムの粒子数の変化に伴って着目する系から放出/系に吸収されるエネルギーであり、ギブスの自由エネルギーなどの熱力学ポテンシャルのLiの粒子数に関する偏微分で定義される。リチウムの移動やリチウムが関わる化学反応の駆動力の一つとなる。
タイトル： Coating Layer Design Principles Considering Lithium Chemical Potential Distribution within Solid Electrolytes of Solid-State Batteries
著者： Yuta Kimura*, Takaya Fujisaki, Tetsuya Shimizu, Takashi Nakamura, Yasutoshi Iriyama, Koji Amezawa*
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所 助教 木村勇太、教授 雨澤浩史
掲載誌： Communications Materials
DOI： 10.1038/s43246-024-00578-1
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