8月21日、中国科学技術大学（USTC）の馬成教授と共同研究者らは、次世代全固体リチウム電池の開発を阻害する電極-電解質接触問題に対処するための効果的な戦略を提案しました。この方法で作製された固体-固体複合電極は、優れた容量とレート特性を示しました。
従来のリチウムイオン電池の有機液体電解質を固体電解質に置き換えることで、安全性の問題を大幅に軽減し、エネルギー密度向上における「ガラスの天井」を打ち破る可能性を秘めています。しかしながら、現在主流の電極材料も固体です。固体と液体の接触ほど固体同士の接触を密にすることはほぼ不可能であるため、現状では固体電解質を用いた電池は、電極と電解質の接触が悪く、セル全体の性能が不十分です。
「固体電池の電極と電解質の接触問題は、まるで木樽の最も短い板のようなものです」と、本研究の筆頭著者であるUSTCの馬成教授は述べています。「実際、研究者たちは長年にわたり、既に多くの優れた電極と固体電解質を開発してきましたが、それらの接触不良が依然としてリチウムイオン輸送の効率を制限しています。」
幸いなことに、MAの戦略はこの困難な課題を克服できる可能性があります。研究は、プロトタイプのペロブスカイト構造固体電解質中の不純物相を原子レベルで詳細に観察することから始まりました。不純物相と固体電解質の結晶構造は大きく異なっていましたが、エピタキシャル界面を形成していることが観察されました。一連の詳細な構造および化学分析を経て、研究者たちは、不純物相が高容量リチウムリッチ層状電極と同構造であることを発見しました。つまり、プロトタイプの固体電解質は、高性能電極の原子骨格によって形成された「テンプレート」上で結晶化し、原子レベルで密接な界面を形成できるということです。
「これは本当に驚きです」と、現在USTC大学院生である筆頭著者の李富珍氏は述べた。「材料中に不純物が存在することは実は非常に一般的な現象で、あまりにも一般的なため、ほとんどの場合無視されてしまいます。しかし、詳しく調べた結果、この予想外のエピタキシャル挙動を発見し、それが固体間接触を改善するための戦略に直接的なインスピレーションを与えてくれました。」
研究者らが提案した戦略は、一般的に採用されている冷間圧搾法と比較して、原子分解能電子顕微鏡画像に反映されているように、固体電解質と電極間の原子レベルでの完全かつシームレスな接触を実現できます。（MAチーム提供）
研究者らは、この観測された現象を利用し、ペロブスカイト構造固体電解質と同じ組成の非晶質粉末をLiを豊富に含む層状化合物の表面に意図的に結晶化させることで、複合電極においてこれら2つの固体材料間の完全かつシームレスな接触を実現することに成功しました。電極-電解質接触の問題が解決されたことで、このような固体-固体複合電極は、固体-液体複合電極に匹敵するレート特性を実現しました。さらに重要な点として、研究者らは、このタイプのエピタキシャル固体-固体接触は大きな格子不整合を許容できることも発見しました。そのため、提案された戦略は、他の多くのペロブスカイト固体電解質や層状電極にも適用できる可能性があります。
「この研究は、追求する価値のある方向性を示しました」とMA氏は述べた。「ここで提示された原理を他の重要な材料に適用することで、さらに優れた細胞性能と、より興味深い科学につながる可能性があります。私たちはそれを楽しみにしています。」
研究者らは、この方向への探究を継続し、提案された戦略を他の高容量、高電位カソードに適用する予定です。
この研究は、Cell Pressの旗艦ジャーナルであるMatterに「リチウム電池用固体電解質と電極の原子レベルでの密接な接触」と題して掲載されました。筆頭著者はUSTC大学院生のLI Fuzhen氏です。MA Cheng教授の共同研究者には、清華大学のNAN Ce-Wen教授とエイムズ研究所のZHOU Lin博士が含まれます。
（化学・材料科学部）
論文リンク: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
投稿日時: 2019年6月3日