固体電池の性能を新たな保護コーティングで向上(Solid-state batteries get a boost with new protective coating)

2025-09-09 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

米国アルゴンヌ国立研究所は、固体電池の安定性を高める新技術を開発した。研究チームは硫化物系固体電解質の粒子表面に、原子層堆積法で極薄のアルミナ(Al₂O₃)コーティングを形成。これにより空気や湿気への耐性が向上し、従来は劣化しやすかった粉末が安定に扱えるようになった。さらに、この保護層を持つ電解質を用いた電池では、イオン伝導性が約2倍に高まり、電子伝導性は抑制され、リチウム界面での不要な反応も大幅に低減。その結果、室温条件でのサイクル寿命と容量保持率が著しく改善された。今回の成果は、全固体電池の製造・運用における大きな課題である環境安定性と界面反応を同時に解決しうる基盤技術であり、次世代の安全で高性能な固体電池の実用化を大きく前進させるものと期待されている。

固体電池の性能を新たな保護コーティングで向上(Solid-state batteries get a boost with new protective coating)
A comparison of uncoated LPSCI (a sulfide-based electrolyte) with aluminum oxide ALD-coated LPSCI when exposed to humid air, illustrating how the coating suppresses degradation. (Image by Taewoo Kim/Argonne National Laboratory.)

<関連情報>

超薄膜金属酸化物層による硫化物系固体電解質の大気劣化抑制 Suppressing Atmospheric Degradation of Sulfide-Based Solid Electrolytes via Ultrathin Metal Oxide Layers

Taewoo Kim,Zachary D. Hood,Aditya Sundar,Anil U. Mane,Francisco Lagunas,Khagesh Kumar,Neelam Sunariwal,Jordi Cabana,Sanja Tepavcevic,Jeffrey W. Elam,Peter Zapol,and Justin G. Connell
ACS Materials Letters  Published: November 12, 2024
DOI:https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01923

Abstract

Sulfide-based solid-state electrolytes (SSEs) are promising materials with superior Li-ion conductivity; however, their poor atmospheric stability limits commercial manufacturing at scale. Here, we investigate the impact of ultrathin metal oxide layers deposited via atomic layer deposition (ALD) on the stability of Li6PS5Cl (LPSCl). Al2O3 layers grown directly on LPSCl particles significantly stabilize the surface chemistry and Li-ion transport properties relative to uncoated material upon exposure to both an ambient atmosphere (22% relative humidity, RH) and humidified O2 (100% RH). Detailed investigations indicate that coatings impede the surface and bulk degradation kinetics of exposed materials, even for coatings as thin as ∼1 Å. This suggests that stabilization is due to more than just a physical barrier. Shifts in valence band edge positions of coated LPSCl indicate that ALD coatings alter the surface electronic structure and resulting oxidation tendency of underlying LPSCl, suggesting new avenues to improving the environmental stability of sulfide SSEs.

0402電気応用
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