次世代リチウム金属電池を向上させる新技術

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(New Technique Extends Next-Generation Lithium Metal Batteries)

2020/11/4 アメリカ合衆国・コロンビア大学

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・ コロンビア大学が、リチウム金属アノード(負極)の主要な課題であるデンドライト(樹枝状結晶)の成長を防ぐ技術を開発。
・ リチウム硫黄電池やリチウム空気電池、リチウム全固体電池等の次世代のリチウム電池は、軽量、長寿命、低コストのエネルギー貯蔵デバイスとして産業に革新をもたらすことが期待されている。
・ これらの電池の商業化に向け、リチウム金属アノードでのデンドライトの成長は解決が必要な課題の一つ。微細な構造のデンドライトは電池稼働時に形成され、発火や爆発の原因となる短絡(ショート)を引き起こす危険性がある。
・ 今回、カリウムイオン等のアルカリ金属添加剤の使用により、アノードでのデンドライトの形成が防止可能なことを発見。顕微鏡、核磁気共鳴(NMR)装置やコンピューター・モデリングにより、電解質へのカリウム塩の微量添加で、リチウム金属アノードと電解質のインターフェイスでの特殊な化学反応を確認。カリウムイオンがアノード表面での不要な化学物質の積層を緩和し、充放電時のリチウムイオンの移動を防いでデンドライトの成長を制限する。
・ 今回の研究は、金属表面への導電性ポリマーの積層に重点を置いた電解質改良の従来のアプローチとは異なり、リチウム金属の表面化学について NMR を利用した最初の詳細な特性評価の一つで、リチウム金属用の新電解質設計での活用の可能性を実証するもの。密度汎関数法(DFT)による計算で、本研究結果を補完した。
・ 現在、リチウム金属への導電層の形成を促す従来の添加剤に併せ、有害な表面層の形成を抑制するアルカリ金属添加剤の試験を実施中。また、NMR を積極的に利用し、導電層を通るリチウムの移動速度を直接測定している。
・ 本研究は、Scialog の Advanced Energy Storage Collaborative Innovation Award を通じアルフレッド.P.スローン財団が資金を提供した。
URL: https://www.engineering.columbia.edu/press-release/marbella-next-generation-lithiummetal-batteries

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Cell Reports Physical Science 掲載論文(フルテキスト)
Leveraging Cation Identity to Engineer Solid Electrolyte Interphases for Rechargeable Lithium Metal
Anodes
URL: https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(20)30257-5

Abstract

Engineering the solid electrolyte interphase (SEI) is a promising approach to improving Li metal battery performance. Recent work has shown that alkali metal additives can lead to smooth Li deposits, yet the underlying mechanisms are not understood. In this work, we demonstrate that alkali metal additives (here, K+) alter SEI composition, thickness, and solubility. Through post-mortem elemental analyses, we find that K+ ions do not deposit, but instead modify the reactivity of the electrode-electrolyte interface. Using quantitative nuclear magnetic resonance (NMR) and density functional theory (DFT), we show that K+ mitigates solvent decomposition at the Li metal surface. These findings suggest that alkali metal additives can be leveraged to suppress the formation of undesired SEI components (e.g., Li2CO3, soluble organic species), serving as an alternative approach for SEI modification compared to sacrificial additives. We believe that our work will spur further interest in the underexplored area of cation engineering.

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