全固体リチウム金属電池の高エネルギー密度化に向けた電極/電解質界面の構築

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等方静水圧プレス(CIP)を用いたLi金属/Li3PS4電解質の界面構築を検討した。CIPを用いることにより、界面抵抗を大幅に低減することができた。次に、CIPで構築した界面において100°Cで対称セルを評価したところ、25°Cのときと比べてセル抵抗の大幅な減少およびLi溶解析出特性の向上を観測した。さらに、Au薄膜をLi金属/ Li3PS4電解質界面に挿入して100°Cで定電流サイクル試験を行ったところ、1.3 mA cm-2の高電流密度、6.5 mAh cm-2の高容量での溶解析出が可能であることを見出した。このAu薄膜を有するLi金属を負極とし、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2活物質を正極に用いた全固体Li金属セルは、有機電解液を用いた現行のLiイオン電池のエネルギー密度に近い226 Wh kg-1(セル外装と集電体の重量を除く)の値を達成した。Li3PS4ガラス電解質を、ガラス転移点付近(170oC)でホットプレスしたところ、粒界や空隙が低減した成形体を得られた。また、室温成形でも静水圧プレスと一軸プレスを組み合わせることで粉末成形体表面近傍の粒界や空隙を低減できることを見出した。このような成形体にLi金属を貼り付け、全固体対称セルの評価を行ったところ、室温一軸プレス成形体よりも高電流密度で短絡しにくいことを明らかにした。Li金属に対して化学的に安定なハロゲン化リチウムをLi金属/硫化物固体電解質界面に用いることを検討した。真空蒸着により作製したLiF薄膜が界面に挿入された全固体Li金属対称セルは、100°Cにおいて0.89 mA cm-2の電流密度で溶解析出が可能であることを明らかにした。また、Li3PS4-LiI系ガラス電解質をLi金属との界面形成に用いることで100°C、1.25 mA cm-2の条件で3000時間以上安定に溶解析出できることを見出した。