固体

Aug 02, 2023

ジャスト_スーパー / iStock

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ドイツのバイロイト大学の研究者は、中国のパートナーと協力して、バッテリー技術において大きな進歩を遂げました。 彼らは、革新的な硝酸塩ベースの添加剤を使用して、安定性があり、寿命が長い可能性がある新しい固体リチウム金属電池の開発に成功しました。 このことは、擬固体電解質用の効果的な添加剤を作成する際の分子設計の重要性を強調している、と研究チームは強調している。

バイロイト大学の電気化学エネルギーシステムの電極設計部長であるフランチェスコ・シウッチ博士は、中国の研究パートナーと協力して、準固体電池の電解質中の硝酸リチウムと1,3-ジオキソラン（DOL）の間の不適合性の問題を解決するために、新しい硝酸塩ベースの添加剤。 過去には、このような非互換性の問題により、そのようなバッテリーの作成や生産規模の拡大が非常に困難であったため、これは重要な進歩です。

今回の発見により、従来の液体電池の製造方法を維持しながら、安全性、耐久性が高く、製造が容易な全固体リチウム金属電池の開発が可能となった。

実験では、これらのバッテリーのさまざまなバージョンを作成してみたところ、特定のタイプのリチウム硫黄 (Li-S) セルが特に優れた性能を発揮することがわかりました。 Li-S バッテリーには、非常に高いエネルギー密度が得られる可能性があります。 これは、重量に対して多くのエネルギーを蓄えることができることを意味し、重量が重要となる航空や電気自動車などの用途では特に価値があります。 エネルギー密度が高いことに加えて、硫黄は豊富で安価であるため、技術的課題が解決されれば、Li-S 電池は他の電池技術と比べてコスト効率が高くなる可能性があります。

Francesco Ciucci 教授ら、2023 年。

しかし、これまで、Li-S 電池はサイクル寿命と安定性が低いという問題がありました。

「電池の固体特性により、製造が簡単でありながら、高いレベルの安全性が保証されます」とCiucci教授は説明しました。 「私たちはさまざまなタイプのリチウム金属電池を作成することで、このアプローチの普遍性を実証しました。特に、製造されたパウチ型Li-S電池は、以前に文書化されたパウチ型Li-S電池と比較して優れた性能を示しました。」と同氏は付け加えた。

Ciucci 教授と彼の研究チームは、DOL の重合を可能にするように特別に設計された新しい添加剤、二硝酸トリエチレングリコールを導入しました。 研究チームは、重合と同時に窒素を豊富に含む固体電解質の界面層を形成すると、有害な寄生反応が抑制され、電池の効率が向上することを示しました。

研究結果に基づいて、いくつかの電池セルが開発されました。 その中で、実験室規模のボタン型電池は 2,000 回以上充放電できました。 304 Wh kg-1 の高エネルギー密度と安定したサイクルを備えた 1.7 Ah Li-S パウチ電池も製造されました。

この発見はバッテリー技術における大きな前進です。 これは、より良い電池を作るために分子を正しく設計することの重要性を示しています。 「この研究は、擬固体電解質の効果的な添加剤を作成する際の分子構造設計の重要性を強調しています。これは、リチウム金属電池にポリDOLベースの擬固体電解質を使用する実用化の可能性が大きく前進したことを示しています。」シウッチ教授は説明した。

この研究結果は、『Energy & Environmental Science』誌でご覧いただけます。

研究概要:

準固体電解質（QSSE）のその場重合は、拡張性があり、安全で、高性能の準固体リチウム金属電池を開発するための有望なアプローチとして浮上しています。 これに関連して、ポリ DOL ベースの電解質は、その広い電気化学ウィンドウとリチウム金属との強い適合性により、特に魅力的です。 リチウム金属の安定性を高めるために、LiNO3 がリチウム金属アノードの表面に効果的な Li3N リッチな固体電解質中間相を形成するため、頻繁に添加されます。 ただし、LiNO3 は DOL の開環重合を妨げ、2 つの化合物を非相溶化します。 この問題に対処するために、この研究では、LiNO3 に代わる新しい硝酸塩ベースの添加剤である二硝酸トリエチレングリコール (TEGDN) を開発しました。 LiNO3 と同様、TEGDN はリチウムの表面に高密度で窒素に富んだ固体電解質界面を形成し、リチウムを寄生反応から保護します。 ただし、LiNO3 とは異なり、TEGDN は DOL の重合を妨げないため、室温で 2.87 mS cm-1 のイオン伝導率と 4.28 V の酸化安定電位を実現する非常に効果的な電解質の製造が可能になります。 このアプローチの実現可能性を実証するために、1℃で2000回を超えて安定してサイクルするLi|LiFePO4コイン型電池を作製した。 さらに、初期比エネルギーが 304 W h kg-1 で、50 サイクル後の容量維持率が 79.9% である 1.7 A h パウチ型リチウム硫黄電池を調製します。 つまり、本研究はポリDOLとLiNO3の不相溶性を解決する新しい添加剤を初めて提案し、Nリッチな固体電解質界面を形成することで顕著な容量と安定性を示すその場重合型擬固体電池を開発した。