Fabrication of atomically controlled interfaces with extremely low interfacial resistance in all-solid-state Li batteries

全固态锂电池中界面电阻极低的原子控制界面的制造

• 批准号: 21K05256
• 负责人: 西尾 和記
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05256/
• 关键词: 全固体Li電池; 界面抵抗; エピタキシャル薄膜; 全真空プロセス; 清浄界面; 硫化物固体電解質; 高速充放電; 緩衝層; 結晶方位依存性

エピタキシャル薄膜モデル電極を活用した全固体Li電池を作製することで、硫化物固体電解質と電極間の界面抵抗起源を定量的に探索する研究を行ってきた。本研究で、Li3PS4硫化物固体電解質とLiCoO2(001)正極間の界面抵抗は化学反応層の形成が起源であることを明らかにし、その高い界面抵抗(3.5x10^5 Ohm cm^2)はLi3PO4緩衝層を導入することで2,800倍低減し、電池動作できることを達成した。さらに、緩衝層としてLiNbO3を選択し、その電気伝導性に着目して電池特性との相関を定量的に調べた。そして、緩衝層の電気伝導性が高まるに従い電池性能は劣化する傾向を示した。得られた結果から、高性能な緩衝層を設計するうえで固体物理の視点に基づく重要な指針を得ることができた。さらに、5 V級正極のLiNi0.5Mn1.5O4に着目し、Li3PS4固体電解質との界面抵抗を定量評価したところ、LiCoO2同様にLi3PO4緩衝層を導入することで界面抵抗を低減して電池動作に成功した。その結果、LiNi0.5Mn1.5O4正極の場合、高速充放電(電流密度>30 mAcm^-2)を安定化させるために、負極側のLi金属-Li3PS4固体電解質間の界面に緩衝層を導入する必要性を見出した。

A study on the quantitative origin of interfacial resistance between sulfide solid electrolytes was carried out. In this study, the interfacial resistance between Li3PS4 sulfide solid electrolyte and LiCoO2 (001) electrode was studied. The formation of chemical reaction layer was studied. The interfacial resistance (3.5x10^5 Ohm cm^2) was reduced by 2,800 times and the battery operation was achieved. In addition, the buffer layer and LiNbO3 are selected, and the electrical conductivity of the buffer layer and LiNbO3 are adjusted quantitatively. The high electrical conductivity of the buffer layer indicates that the battery performance tends to deteriorate. The result is that high performance buffer layers are designed for solid state physics. The interface resistance of LiNi0.5Mn1.5O4 for 5V electrode was quantitatively evaluated. The interface resistance of Li3PS4 solid electrolyte was reduced by introducing Li3PO4 buffer layer into LiCoO2 electrode. The results show that in the case of LiNi0.5Mn1.5O4 electrode, high speed charging (current density>30 mAcm^-2), stabilization and introduction of buffer layer at the interface between Li metal and Li3PS4 solid electrolyte on the electrode side are necessary.

项目成果

Impact of Li3PO4?buffer layer at the interface of [Li(G4)][TFSA] ionic liquid electrolyte and LiCoO2?positive electrode on battery operations

[Li(G4)][TFSA]离子液体电解质与LiCoO2正极界面Li3PO4缓冲层对电池运行的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: 鄧 俊;西尾 和記;渡邊 佑紀;枝村 紅依;清水 亮太;一杉 太郎
• 通讯作者: 一杉 太郎

硫化物系固体電解質を利用した薄膜型全固体Li電池における界面研究

使用硫化物固体电解质的薄膜全固态锂电池的界面研究

• 发表时间: 2021
• 作者: 武田 祐希;西尾 和記;今関 大輔;枝村 紅依;中山 亮;清水 亮太;一杉 太郎
• 通讯作者: 一杉 太郎

全固体電池の性能を加熱処理で大幅に向上 電気自動車用電池への応用に期待

热处理显着提升全固态电池性能，有望应用于电动汽车电池

Modifying the Interface between the Solvated Ionic Liquid Electrolyte and Positive Electrode to Boost Lithium-Ion Battery Performance

修改溶剂化离子液体电解质和正极之间的界面以提高锂离子电池性能

• DOI: 10.1021/acsaem.2c01533
• 发表时间: 2022
• 期刊: ACS Applied Energy Materials
• 影响因子: 6.4
• 作者: Jun Deng;Kazunori Nishio;Satoru Ichinokura;Yuki Watanabe;Kurei Edamura;Ryo Nakayama;Ryota Shimizu;Toru Hirahara;Taro Hitosugi
• 通讯作者: Taro Hitosugi

Photo-induced hydrogen diffusion in yttrium oxy-hydride epitaxial thin films

氢氧化钇外延薄膜中的光致氢扩散

• 发表时间: 2021
• 作者: Yuya Komatsu;Jun Sugiyama;Ryota Shimizu;Kazunori Nishio;Masahiro Miyauchi;Markus Wilde;Katsuyuki Fukutani;Ryan McFadden;Martin Dehn;Victoria Karner;Derek Fujimoto;John Ticknor;Aris Chatzichristos;Monika Stachura;David Cortie;Gerald Morris
• 通讯作者: Gerald Morris