全固体リチウム硫黄電池の内部反応を高解像度で可視化する手法を確立~高速充放電とサイクル安定性を阻害する因子を解明~

2025-10-24 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の木村勇太・大野真之准教授らは、放射光X線CTを用いて全固体リチウム硫黄電池(SSLSB)内部の反応分布をマイクロメートル精度で可視化する手法を確立した。SPring-8の高輝度X線により、充放電時の正極内でのリチウムイオン移動を三次元的に観察し、電極スケールでのイオン輸送の遅さが高速充放電やサイクル安定性を阻害していることを初めて特定。これにより、電池性能を支配する内部反応の可視化と設計指針の確立が可能となった。本成果は『Advanced Energy Materials』に掲載され、次世代全固体電池の材料設計や構造最適化に重要な知見を提供する。

全固体リチウム硫黄電池の内部反応を高解像度で可視化する手法を確立~高速充放電とサイクル安定性を阻害する因子を解明~
図1. オペランドX線CT測定の概要。(左)オペランド(電池動作下)計測セルとその内部のSSLSBセルの構造。比較的低エネルギーの高輝度放射光X線と独自開発した計測セルにより、電池動作中の反応分布の測定を実現した。 (右)X線CTによって得られたSSLSBの3次元再構成像。

<関連情報>

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Yuta Kimura, Mai Tanaka, Shiori Kawasaki, Shoma Yanagihara, Jan Huebner, Nozomu Ishiguro, Takashi Nakamura, Oki Sekizawa, Kiyofumi Nitta, Yoshiharu Uchimoto, Koji Amezawa, Saneyuki Ohno
Advanced Energy Materials  Published: 23 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.202503863

Abstract

By eliminating liquid electrolytes, solid-state Li–S batteries (SSLSBs) deliver emerging high-energy storage solutions with intrinsic safety advantages. However, restricted access to in-battery reaction dynamics has obscured the mechanisms behind critical limitations in rate capability and cyclability. Here, operando X-ray computed tomography is employed to capture the evolving through-thickness sulfur-lithiation distribution within composite SSLSB cathodes during cycling, directly linking macroscopic ion transport to cell performance. The observations not only demonstrate that macroscopic ion transport severely restricts the rate capability of SSLSBs, but also disclose a previously unreported charge–discharge asymmetry in reaction heterogeneity that triggers irreversible Li2S formation. Differential-evolution fitting of the reaction profiles quantified a deterioration in the effective ionic conductivity during charging, which drives the observed asymmetry and likely arises from electrochemical and/or microstructural degradation of the electrolyte. This study establishes a methodology for high-resolution visualization of reaction dynamics within composite cathodes, providing quantitative insights into the macroscopic transport bottleneck based on experimental observations, which are essential for guiding rational electrode design toward enhanced rate capability and cyclability.

0402電気応用
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