全固体電池: 整備士の重要な役割

セルギー・カルナウスら。全固体電池: 整備士の重要な役割。科学。 381、1300 (2023).

リチウム金属アノードを備えた固体電池には、より高いエネルギー密度、より長い寿命、より広い動作温度、および安全性の向上の可能性があります。研究の大部分は、材料と界面の輸送速度論と電気化学的安定性の改善に焦点を当てていますが、材料力学の調査を必要とする重大な課題もあります。固体-固体界面を備えた電池では、機械的接触、および固体電池の動作中の応力の発生が、これらの界面での安定した電荷移動を維持するための電気化学的安定性と同じくらい重要になります。このレビューでは、通常および長期のバッテリー サイクルから生じるストレスと歪み、およびストレス軽減のための関連メカニズムに焦点を当てます。その一部はバッテリーの故障につながります。

背景

全固体電池 (SSB) には、日常の電話や電気自動車に使用されている従来のリチウムイオン電池に比べて、重要な潜在的な利点があります。これらの潜在的な利点の中には、エネルギー密度の向上と充電の高速化があります。固体電解質セパレーターは、可燃性有機溶媒が含まれていないため、寿命が長く、動作温度が広く、安全性が向上します。 SSB の重要な側面の 1 つは、物質輸送によって引き起こされる寸法変化 (ひずみ) に対する微細構造の応力応答です。カソード粒子の組成歪みは液体電解質電池でも発生しますが、SSB ではこれらの歪みが膨張または収縮する電極粒子と固体電解質の間の接触力学的問題を引き起こします。アノード側では、リチウム金属のメッキにより固体電解質との界面に独自の複雑な応力状態が生成されます。 SSB の重要な特徴は、このようなめっきが電極と電解質の界面だけでなく、固体電解質自体の細孔内や粒界に沿って発生する可能性があることです。このような閉じ込められたリチウムの堆積により、電解質の破壊を引き起こす可能性のある高い静水圧応力が存在する領域が生成されます。 SSB の故障の大部分は機構によって引き起こされますが、研究のほとんどは、イオン輸送と電解質の電気化学的安定性の改善に専念してきました。このギャップを埋める試みとして、この総説では SSB の力学フレームワークを提示し、応力が生成、防止、軽減されるメカニズムに焦点を当てて、この分野の主要な研究を検討します。

前進

再生可能資源への取り組みには、現在の電池の 2 倍以上のエネルギー密度を持ち、5 分以内に充電できる次世代電池の開発が必要です。これにより、5 分間の高速充電を容易にし、高エネルギーの鍵となるリチウム金属負極の使用を可能にする電解質の開発競争が始まりました。金属リチウムを使用した高い電気化学的安定性を有する固体電解質と、液体電解質よりも高いイオン伝導率を有する硫化物固体電解質の発見により、研究コミュニティの SSB への移行が促進されました。これらの発見は、SSB が急速充電とエネルギー密度の 2 倍というビジョンを可能にするという期待の芽を生み出しましたが、この期待の実現は、電池材料の機械的挙動が完全に理解され、マルチスケール機構が SSB の開発に統合されている場合にのみ実現可能です。 .

展望

(i) 固体電解質表面の不均一なリチウムめっきと固体電解質内のリチウム金属の析出を含む、いくつかの重要な課題に対処する必要があります。 (ii) 電極接触部および粒界でも発生する電気化学サイクルに伴う体積変化の結果として生じる、セル内の界面接触の喪失。 (iii) 非常に薄い固体電解質と、バインダーや構造支持体などの不活性成分を最小限に抑えた SSB を形成する製造プロセス。力学はこれらの問題をつなぐ共通の要素です。セラミック固体電解質の表面および体積欠陥への金属リチウムの堆積により、局所的に高い応力が発生し、金属リチウムが亀裂内にさらに伝播して電解質の破壊につながる可能性があります。製造においては、最低限の要件として、カソードと電解液のスタックは、機器によって加えられる力に耐えられる十分な強度を備えている必要があります。 SSB 材料の仕組みをより深く理解する固体電解質、カソード、アノード、およびセル構造の開発、さらには電池の製造と動作のストレスを管理するように設計された電池パックの開発に移行する予定です。

図 1 リチウム金属固体電池、機構および輸送現象の概略図。

図 2 リチ​​ウム金属の長さスケールと速度に依存する力学。

図 3 可塑性は、アモルファス材料の緻密化とせん断流によって引き起こされ、結晶セラミックスに転位を導入することによって強化され、それによって破壊が回避されます。

図 4 ナノインデンテーションの周期的負荷中にヒステリシスのような挙動をもたらす、LiPON の変形回復。

図 5 複合固体陰極の疲労損傷。

図 6 固体電解質を通したリチウムの伝播の概略図。