バッテリー内の金属ツリー(Metal trees in the battery)

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固体電池の短絡の仕組みを解明することで、電池の寿命を延ばせるかもしれない Understanding how short-circuits occur in solid-state batteries could extend their lifespan

2023-04-28 マックス・プランク研究所

充電式バッテリーは、eカー、携帯電話、コードレスドライバーなど多くのデバイスで使用されており、電気自動車が普及するにつれて需要が増加する。しかし、リチウムイオンバッテリーは時々予期せず炎上することがあり、携帯電話が飛行機に持ち込めない場合もある。一方、固体電池は非可燃性であり、機械的に堅牢であり、温度変動に対して感度が低く、蓄積容量が大きく、小型化が容易である。ただし、これまでのリチウム固体電池の寿命は比較的短い。それは、充電プロセス中に正負端子の間にリチウム樹状突起が成長し、電池が短絡するためである。
研究者たちは、この有害な現象の成長過程を調べ、これを制御する方法を探っている。固体電池の結晶粒を短辺と長辺を持つレンガのように成長させ、電解質の粒界に沿って電子の流れを長くすることが可能であることが判明した。
電池の寿命を実際に延ばすことができるかどうかはまだ不明であるが、将来的に、固体電池が敏感な従来のリチウムイオン電池に取って代わる可能性はある。

<関連情報>

オペランド顕微鏡法によるLi6.25Al0.25La3Zr2O12粒界におけるリチウムデンドライトの進展の解明 Understanding the evolution of lithium dendrites at Li6.25Al0.25La3Zr2O12 grain boundaries via operando microscopy techniques

Chao Zhu,Till Fuchs,Stefan A. L. Weber,Felix. H. Richter,Gunnar Glasser,Franjo Weber,Hans-Jürgen Butt,Jürgen Janek & Rüdiger Berger
Nature Communications  Published:09 March 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-36792-7

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Abstract

The growth of lithium dendrites in inorganic solid electrolytes is an essential drawback that hinders the development of reliable all-solid-state lithium metal batteries. Generally, ex situ post mortem measurements of battery components show the presence of lithium dendrites at the grain boundaries of the solid electrolyte. However, the role of grain boundaries in the nucleation and dendritic growth of metallic lithium is not yet fully understood. Here, to shed light on these crucial aspects, we report the use of operando Kelvin probe force microscopy measurements to map locally time-dependent electric potential changes in the Li6.25Al0.25La3Zr2O12 garnet-type solid electrolyte. We find that the Galvani potential drops at grain boundaries near the lithium metal electrode during plating as a response to the preferential accumulation of electrons. Time-resolved electrostatic force microscopy measurements and quantitative analyses of lithium metal formed at the grain boundaries under electron beam irradiation support this finding. Based on these results, we propose a mechanistic model to explain the preferential growth of lithium dendrites at grain boundaries and their penetration in inorganic solid electrolytes.

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