最小限の外圧で機能するリチウム金属電池に一歩近づく

カリフォルニア大学サンディエゴ校とシカゴ大学が率いる電池研究チームは、酸窒化リチウムリン（LiPON）と呼ばれる、状況を一変させる可能性のある薄膜固体電解質を製造するための新しい方法論を開発した。 研究チームはさらに、LiPON フィルムの自立型バージョンを電池の機能テストに実装し、内部圧縮応力と金シード層の助けを借りて、外圧ゼロ下で均一な密度のリチウム金属電気化学析出を促進することを発見しました。 この研究は、カリフォルニア大学サンディエゴ校とシカゴ大学が率いる電池研究チームによって行われ、2023年8月3日に学術誌「Nature Nanotechnology」に掲載された。

研究チームは、シカゴ大学とカリフォルニア大学サンディエゴ校の両方に所属する電池研究者で教授のイン・シャーリー・メン氏が率いる。 最初の著者は、最近卒業した博士課程の Diyi Cheng です。 カリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブス工学部の材料科学および工学プログラムで博士号を取得し、ローレンス・バークレー国立研究所で研究活動を続けています。 チームにはローレンス・リバモア国立研究所とカリフォルニア大学バークレー校の研究者も含まれています。

LiPON は、リチウムイオンを伝導する薄膜固体電解質であり、将来のリチウム電池産業の幅広い電極材料と組み合わせることができると強く期待されています。 しかし、LiPON を製造するための既存の方法では、研究者が材料を完全に理解することができませんでした。 今回、チームは、LiPON をより包括的に研究できるように、この有望な固体電解質を自立型で製造する方法を発見しました。 LiPON を製造するための新しいアプローチにより、この固体電解質を使用して、最小限の外部圧力下でも動作するリチウム金属固体電池を実現する可能性への扉も開かれました。

LiPON は、もともと 1992 年にオークリッジ国立研究所の科学者グループによって開発されました。過去 30 年間にわたる継続的な研究努力にも関わらず、LiPON の固有の特性とそれに関連する界面の完全な理解が依然として大幅に不足しており、期待と進歩が妨げられています。 LiPON素材を採用。 このジレンマを引き起こすいくつかの要因は次のとおりです。

LiPON 研究における既知の課題を考慮して、チームは自立型の LiPON フィルムを製造するための新しい方法論を開発しました。 その結果、柔軟で透明な自立型 LiPON (FS-LiPON) フィルムが得られ、幅広い分光技術と互換性があり、回折ベースの技術よりも LiPON のユニークな特性を解明できる可能性が高くなります。 この進歩により、LiPON の界面化学、熱特性、機械的特性に関する新しい Nature Nanotechnology 論文に記載された新たな洞察が得られました。 洞察には次のものが含まれます。

研究チームは、LiPON に関する新しい基本的な洞察を収集することに加えて、電池の機能テストに固体電解質の新しい自立型バージョンも実装しました。 研究チームは、薄膜FS-LiPONが、内部圧縮応力と金シード層の助けを借りて、ゼロ外部圧力下で均一な密度のリチウム金属電気化学堆積を促進すると報告している。 この発見は、バルク固体電池の界面工学に関する貴重なヒントを与えてくれます。

LiPON ベースの薄膜電池は、巨大な市場を持つウェアラブルやその他の小型電子機器にとって大きな可能性を示しています。 Diyi Chengらによって説明されたこの研究で生成されたFS-LiPONフィルムは、次のとおりです。 Nature Nanotechnology では、界面化学、イオン拡散、界面工学に関する詳細な議論が可能になり、LiPON 材料の基礎と応用の両方に光が当てられ、リチウム固体電池の開発にさまざまな面で有益となる可能性があります。

「自立型酸窒化リチウムリン薄膜電解質は、外部圧力をかけずに均一に緻密なリチウム金属の堆積を促進します」、2023 年 8 月 3 日の Nature Nanotechnology に掲載。