ガーネットと呼ばれる結晶性材料を用いて、画期的な固体電池を作る有望な方法を発見しました。 Researchers have discovered promising pathways to making game-changing, solid-state batteries with crystalline materials called garnets.
2023-01-26 アルゴンヌ国立研究所(ANL)
◆理想的な電池は、大量のエネルギーを安全に蓄えることができるものである。そのために大きな可能性を秘めているのが、すべて固体材料で構成される固体電池である。しかし、固体電池の負極にリチウム金属を使用する場合、フィラメントと呼ばれる針状の成長物が形成されることが重要な課題となっている。フィラメントができると、電池の安全性や耐久性が損なわれる。
◆固体電池の電解質として期待されているのが、ガーネットと呼ばれる宝石の素材だ。電解質とは、電池の中でイオンを一方の電極から他方の電極に移動させる物質である。ガーネットは、電池内でイオンを素早く移動させることができ、リチウムの存在下でも比較的安定しているため、有望視されている。しかし、ガーネットはフィラメントを形成することがある。研究チームは、なぜフィラメントが形成されるのか、また、フィラメントを形成しないようにガーネットを設計するにはどうすればよいのかを解明しようとした。
◆研究チームはAdvanced Photon Source（APS）において、2つの技術を同時に適用し、ガーネット電解質とリチウム負極を備えた稼働中の電池を観察した。この電池は、フィラメントやその他の損傷によって故障するまで、充電と放電を繰り返した。目的は、フィラメントの成長と材料の劣化を追跡することである。
◆1つ目の手法は、遠距離高エネルギー回折顕微鏡と呼ばれるもので、回転する試料に高エネルギーの放射光X線を当てる。X線がどこに散乱したかを検出器が記録する。
◆回折の結果、ガーネットの粒が、異なる形状、構造、配向を持ちうることを示しました。すべての粒は同じ化学式を持っていますが、元素が異なる方法で配置されている可能性があります。この状態は多形性と呼ばれている。
◆2つ目の評価手法であるX線トモグラフィーは、高エネルギーの放射光X線を電池に照射し、X線ビームの強度がどこでどのように減少しているかを測定するものである。この測定結果をもとに、ガーネット材料内部の3次元デジタル画像を作成した。この手法では、X線回折法よりもはるかに大きなスケールで物質の特徴をとらえることができる。
◆その結果、研究チームは、ガーネット材料の多形（不均一）な領域が、フィラメント形成やその他の大規模な構造損傷が多く発生する場所であることを発見した。
◆研究チームは、ガーネットの多形領域は、材料加工時にドーパントが使用された結果形成されたのではないかと考えている。ドーパントとは、電池材料の電気特性を最適化するために微量に添加される化学物質のことである。
◆この研究の回折技術が強力だったのは、電池材料中の個々の粒を「見る」ことができたからである。APSのアップグレードにより、このような研究はさらに強力なものになる予定です。APSのアップグレードにより、X線ビームの輝度が最大500倍まで向上します。この研究の著者の一人であるアルゴンヌの物理学者Jun-Sang Park氏は、「個々の結晶粒にズームインして、その内部構造の変化を観察することができるようになるでしょう」と語っている。”これは、フィラメントの根本的な原因を特定するのに役立つかもしれません。”
＜関連情報＞
- https://www.anl.gov/article/investigating-battery-failure-to-engineer-better-batteries
- https://www.nature.com/articles/s41563-022-01333-y
ガーネット固体電解質の多形とそのグレインレベル化学メカニクスへの示唆 Polymorphism of garnet solid electrolytes and its implications for grain-level chemo-mechanics
Marm B. Dixit,Bairav S. Vishugopi,Wahid Zaman,Peter Kenesei,Jun-Sang Park,Jonathan Almer,Partha P. Mukherjee & Kelsey B. Hatzell
Nature Materials Published:01 September 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-022-01333-y
Abstract
Understanding and mitigating filament formation, short-circuit and solid electrolyte fracture is necessary for advanced all-solid-state batteries. Here, we employ a coupled far-field high-energy diffraction microscopy and tomography approach for assessing the chemo-mechanical behaviour for dense, polycrystalline garnet (Li7La3Zr2O12) solid electrolytes with grain-level resolution. In situ monitoring of grain-level stress responses reveals that the failure mechanism is stochastic and affected by local microstructural heterogeneity. Coupling high-energy X-ray diffraction and far-field high-energy diffraction microscopy measurements reveals the presence of phase heterogeneity that can alter local chemo-mechanics within the bulk solid electrolyte. These local regions are proposed to be regions with the presence of a cubic polymorph of LLZO, potentially arising from local dopant concentration variation. The coupled tomography and FF-HEDM experiments are combined with transport and mechanics modelling to illustrate the degradation of polycrystalline garnet solid electrolytes. The results showcase the pathways for processing high-performing solid-state batteries.
