全固体電池で隣り合う材料の課題を解決するスケーラブルな新方法

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(New scalable method resolves materials joining in solid-state batteries)

2021-11-10 アメリカ合衆国・オークリッジ国立研究所(ORNL)

・ ORNL とテネシー大学ノックスビル校が、全固体電池を構成する材料の界面状態を改善する非破壊的、低コストでスケーラブルな技術を開発。安全で長寿命のエネルギー貯蔵システムの商業化における主要な一課題を解決する。
・ 全固体電池は、液体電解質の代わりに固体電解質を利用したより安全で高速充電可能な構造を有し、リチウムイオン電池を大幅に下回るサイズで少なくともその 2 倍のエネルギー密度を提供するため、EV の航続距離を飛躍的に延長させることが可能。
・ 全固体電池製造での主要な課題の一つは、電池の構成材料を適切に接合させて充放電サイクルの安定性を維持することが困難なこと。コンタクト・インピーダンスと呼ばれるこのような課題の解決には加圧等の手法が試みられているが、短絡の原因や、電池寿命を延長する高コストアプリケーションによる定期的な再処理が必要となることがある。
・ 本研究では、高電圧の電気化学的短パルスを用いることで、リチウム金属アノード材料層と固体電解質材料層(ガーネット型セラミックの LALZO)の界面に形成される細孔の除去に成功。同パルスの照射による電流で発生する局所的な熱が、リチウム金属層の細孔を囲んで消滅させる。
・ 同パルスによる実験を繰り返し、材料の特性調査を進めた結果、同パルスが電池構成に影響のないことを確認。電池性能が劣化した場合には、パスルを照射することで電池界面を活性化・回復させることが可能となる。
・ 同パルス技術のアイデアは、固体電解質で形成されるデンドライトの処理に電気学的パルスを使用した過去の研究に基づくもの。より高度な電解質材料による実験等を含む研究開発活動を継続し、本研究成果の産業規模へのスケールアップを試みる。
・ 本研究には、米国エネルギー省(DOE) エネルギー効率・再生可能エネルギー局(EERE)の自動車技術局(VTO)および ORNL の Laboratory Directed Research and Development Program が資金を提供した。
URL: https://www.ornl.gov/news/new-scalable-method-resolves-materials-joining-solid-state-batteries

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

ACS Energy Letters 掲載論文(フルテキスト)
Improving Contact Impedance via Electrochemical Pulses Applied to Lithium-Solid Electrolyte
Interface in Solid-State Batteries
URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01573?ref=pdf&

Abstract

Stabilizing interfaces in solid-state batteries (SSBs) is crucial for development of high energy density batteries. In this work, we report a facile electrochemical protocol to improve the interfacial impedance and contact at the interface of Li | Li6.25Al0.25La3Zr2O12 (LALZO). Application of short duration, high-voltage pulses to poorly formed interfaces leads to lower contact impedance. It is found that the local high current density that results from these pulses at the vicinity of the interfacial pores can lead to a better contact between Li and LALZO because of local Joule heating, as supported by theoretical simulations. The pulse technique, which has also been applied to a Li | Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO) | LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC622) cell, results in remarkable reduction of the charge-transfer resistance. Ex situ characterizations, which include X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscopy techniques, reveal that there is no detrimental effects of the pulse on cathode and solid electrolyte bulks and interfaces. This electrochemical pulse technique sheds light on a facile, nondestructive method that has the potential to significantly improve the interfacial contacts in a solid-state battery configuration.

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