Teknik til at karakterisere elektrisk potentialfordeling i kompositelektroder af lithium -ion -batterier i solid state

Stort fremskridt i forståelsen af ​​årsagen til høj resistivitet ved elektrode -elektrolytgrænsefladerne, hvilket har hindret udviklingen af ​​batterier med høj effektdensitet.

Et Nationalt Institut for Materialevidenskab (NIMS) forskerteam ledet af seniorforsker Nobuyuki Ishida og postdoktorforsker Hideki Masuda, Overfladekarakteriseringsgruppe, Forskningscenter for avanceret måling og karakterisering (Ishida er også en GRØNN leder i Nano Interface Characterization Group), lykkedes det at visualisere nanoskalaændringen i potentialfordeling i kompositkatodematerialer i lithium-ion-batterier i solid state (SS-LIB) før og efter opladning/afladning af batterierne. Resultaterne fra denne undersøgelse kan bidrage til at identificere årsagen til høj resistivitet ved elektrode -elektrolytgrænsefladerne, hvilket har hindret udviklingen af ​​SS-LIB'er med høj effektdensitet.

På grund af deres dokumenterede sikkerhed og fremragende cyklusegenskaber, SS-LIB'er betragtes som lovende næste generations opbevaringsbatterier. Imidlertid, på grund af den højere overførselsresistens for lithiumioner ved de elektrode -faste elektrolytgrænseflader sammenlignet med den ved elektrode -flydende elektrolytgrænseflader, det er svært at øge effekttætheden af ​​SS-LIB'er. For at forstå oprindelsen til grænseflade resistivitet, modellering blev anvendt på det lithiumionforarmede lag (rumladningslag), som dannes i faste elektrolytter, når SS-LIB'er oplades, og til defekter ved grænsefladelaget. For at teste disse hypoteser, det er afgørende at måle ændringen i tykkelsen af ​​rumladningslaget, og ændringen i fordelingen af ​​lithiumionkoncentrationer i dette lag før og efter opladning/afladning af batterierne. Derefter, det vil være muligt at analysere sammenhængen mellem disse målinger og grænseflade resistivitet. Imidlertid, det havde været svært at måle elektrisk potentialefordeling i SS-LIB-prøver, da prøverne skal ekstraheres uden at gå på kompromis med batteriets ydeevne. Dette havde været et stort problem, der forhindrede forskere i at undersøge årsagen til grænseflade -resistivitet.

Forskergruppen udviklede en metode, hvorved prøver, der skal måles, skæres ud af SS-LIB'er, prøvens tværsnit behandles og potentiel fordeling måles ved hjælp af et scanningssondemikroskop, som alle udføres under en inert gasatmosfære eller i vakuum. Derefter visualiserede teamet med succes ændring i potentialfordeling som følge af batteriopladning/afladning i den sammensatte katode ved den høje rumlige opløsning (≤50 nm), samtidig med at batteriets ydeevne blev bevaret. Når SS-LIB'er (leveret af Taiyo Yuden Co., Ltd.) blev evalueret ved hjælp af denne metode, resultaterne indikerede, at det område, hvor lithiumionkoncentrationerne faldt i størrelsesordenen mikrometer, ekspanderede i det faste elektrolytområde, og at opladningstilstande var lokalt inhomogene.

Denne metode kan anvendes til evaluering af rumladningslag i mange typer SS-LIB'er, og kan bidrage til at forstå årsagerne til høj grænseflade-resistivitet i SS-LIB'er. Ud over, denne metode kan også anvendes til evaluering af forskelle i ladnings-/afladningstilstande for individuelle partikler af aktivt materiale, der opstår på grund af ikke-ensartet elektrisk ledningsevnefordeling i kompositelektrodematerialerne. Derfor, den nye metode kan ikke kun bidrage til design af grænseflader til forbedring af ydeevnen for SS-LIB'er, men også gælde for forskellige batterianalyseteknikker, herunder analyse af årsager til batteriforringelse.

En del af denne undersøgelse blev udført i forbindelse med projektet med titlen "Dannelse af superion-ledningsbane i genopladeligt lithium-ion-batteri i fuldstændig tilstand gennem design af krystalfasegrænsefladen med hierarkisk kontrollerede strukturer" (Katsuya Teshima, forskningsdirektør), som blev udført for at supplere projektet "Oprettelse af innovative funktionelle materialer med avancerede egenskaber ved design af hyper-nano-rum" (Tohru Setoyama, forskningsvejleder), under de strategiske grundforskningsprogrammer (specifikt CREST -programmet) sponsoreret af Japan Science and Technology Agency (JST).