Study on diffusion mechanism of all-solid-state battery materials by using isotope exchange SIMS analysis and application to operando measurements

利用同位素交换SIMS分析研究全固态电池材料的扩散机制及其在操作测量中的应用

• 批准号: 21H02033
• 负责人: 桑田 直明
• 金额: $ 10.98万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 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-21H02033/
• 关键词: 固体電池; オペランド測定; 二次イオン質量分析; 拡散係数; イオン伝導; トレーサー拡散係数; 粒界拡散; TOF-SIMS; リチウムイオン伝導体; その場測定; 全固体電池; 正極材料; 単結晶; 物理化学; 電気化学; イオニクス

本研究では、二次イオン質量分析(SIMS)法を利用したリチウム拡散解析法を開発し、全固体電池解析に応用することを目的としている。さらに、オペランド測定への展開を目指す。本年度は、酸化物型全固体電池のバルク・界面におけるイオンダイナミクスを解明するため、高いリチウムイオン伝導性を持つLi0.29La0.57TiO3（LLTO）をモデル材料とし，バルク内と粒界のLi拡散を6Li同位体トレーサー実験により解析した。同位体分布の観測にはTOF-SIMS装置（ION-TOF，TOF-SIMS5）を使用した。室温で6Li同位体交換を行ったLLTOでは、6Li同位体の濃度比が空間的に変化している様子が捉えられた。時間経過により分布は変化し、拡散シミュレーションの結果からリチウムイオンのトレーサー拡散係数を見積もることができた。この値はバルクと粒界の効果が含まれる、有効拡散係数とみなすことができる。粒界部分では6Li同位体濃度が大きく変化していることが観察された。この結果を解析することにより、粒界拡散係数を求めることができた。この手法は固体リチウム電池材料の界面イオンダイナミクスを捉える直接的な技術として応用できる。さらに、TOF-SIMSを活用した全固体電池のオペランド測定技術の開発を行った。試料は全固体電池のモデル電池を使用した。TOF-SIMS装置に充放電装置を導入し、オペランド測定を実施した。充電により正極部では7Li強度が減少し、負極部では増加した。本測定により、オペランドSIMSで充放電による活物質のLi濃度の変化の兆候を捉えられることが示された。今後活物質粒子ごとの充放電への寄与率の判定などに応用することが期待される。

This study で は, secondary イ オ ン quality analysis method (SIMS) を using し た リ チ ウ ム company, scattered analytic method を open 発 し, all solid battery analytic に 応 with す る こ と を purpose と し て い る. Youdaoplaceholder0, ペラ ペラ ド ド measure へ へ spread を finger す. This year は, acidification type all the solid battery の バ ル ク · interface に お け る イ オ ン ダ イ ナ ミ ク ス を interpret す る た め, high い リ チ ウ ム イ オ ン 伝 conductivity を hold つ Li0.29 La0.57 TiO3 (LLTO) を モ デ ル material と し, Youdaoplaceholder0, バ, と, と, と, と, Li, 拡, を, 6Li, isomorphic, トレ, サ, サ, laboratory, によ,, analysis, た. The allosome distribution 観 measures に に the TOF-SIMS device (ION-TOF, TOF-SIMS5) を using た た. で 6 li at room temperature with a line body exchange を っ た LLTO で は, 6 li の concentration than に が space with a body - turn し て い る others child が catch え ら れ た. Time 経 に よ り distribution は - し, company, scattered シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の results か ら リ チ ウ ム イ オ ン の ト レ ー サ ー company, dispersion coefficient を see product も る こ と が で き た. <s:1> <s:1> value バ バ と と と と と particle boundary が effect が contains まれる, effective 拡 dispersion coefficient とみなす とがで とがで る る る. The particle boundary part で で 6Li allop concentration が large く く variation <s:1> て る る とが観 とが観 observe された. The result is を. Analysis is する とによ とによ, and the particle boundary 拡 dispersion coefficient を is used to find める める とがで た た た. こ の gimmick は solid リ チ ウ ム battery materials の interface イ オ ン ダ イ ナ ミ ク ス を catch え る directly な technology と し て 応 with で き る. Youdaoplaceholder0 and TOe-sims を utilize the <s:1> た all-solid battery <s:1> ペラ ペラ ド ド measurement technology <e:1> to develop を and った. The test material all-solid battery モデ モデ を battery を uses <s:1> た. Toe-sims device に charge and discharge device を introduction を, <s:1> ペラ ペラ ド ド determination を application <s:1> た. The intensity of the 7Li at the positive electrode が decreases <s:1> during charging, while that at the negative electrode で <e:1> increases <s:1> た. This determination に よ り, オ ペ ラ ン ド SIMS で charge-discharge に よ る live material の の Li concentration variations change の trillion hou を catch え ら れ る こ と が shown さ れ た. In the future, the determination of the charge and discharge rate <e:1> of living matter particles ごと <e:1> and へ <e:1> is expected to be based on する とが とが とが される.

项目成果

Experimental Evaluation of Influence of Stress on Li Chemical Potential and Phase Equilibrium in Two-phase Battery Electrode Materials

应力对两相电池电极材料锂化学势和相平衡影响的实验评估

• DOI: 10.5796/electrochemistry.21-00033
• 发表时间: 2021
• 期刊: Electrochemistry
• 影响因子: 2.5
• 作者: KIMURA Yuta;FUNAYAMA Keita;FAKKAO Mahunnop;NAKAMURA Takashi;KUWATA Naoaki;KAWADA Tatsuya;KAWAMURA Junichi;AMEZAWA Koji
• 通讯作者: AMEZAWA Koji

高温PFG-NMRによる固体電解質Li0.29La0.57TiO3のリチウム拡散係数測定

高温PFG-NMR测量固体电解质Li0.29La0.57TiO3的锂扩散系数

• 发表时间: 2021
• 作者: 桑田 直明;長谷川 源;端 健二郎
• 通讯作者: 端 健二郎

Direct Observation of Lithium Diffusion in Insertion Electrodes by Isotope Exchange and Secondary Ion Mass Spectrometry

通过同位素交换和二次离子质谱直接观察插入电极中的锂扩散

• 发表时间: 2021
• 作者: 桑田 直明;長谷川 源.
• 通讯作者: 長谷川 源.

多結晶Li0.29La0.57TiO3における粒界と粒内のLi拡散測定

多晶 Li0.29La0.57TiO3 中的晶界和晶内 Li 扩散测量

• 发表时间: 2021
• 作者: 長谷川 源;荒 宏子;桑田 直明.
• 通讯作者: 桑田 直明.

Effects of Halogen and Sulfur Mixing on Lithium-Ion Conductivity in Li7-x-y(PS4)(S2-x-yClxBry) Argyrodite and the Mechanism for Enhanced Lithium Conduction

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c03780
• 发表时间: 2022-08-12
• 期刊: JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C
• 影响因子: 3.7
• 作者: Masuda, Naoya;Kobayashi, Kiyoshi;Kuwata, Naoaki
• 通讯作者: Kuwata, Naoaki