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Argonne Researchは、固形状態のバッテリーを前進させます
米国エネルギー省（DOE）Argonne National Laboratoryの研究者によってACSマテリアルレターに掲載された研究では、全溶解状態のバッテリーの固体電解質を調べました。調査結果は、より安全でエネルギー効率の高いバッテリー技術の開発に貢献しています。
リチウムイオン電池は、携帯電話、ラップトップ、電気自動車など、さまざまなデバイスに電力を供給しています。彼らの広範な使用を考えると、研究者はバッテリーの安全性と効率を向上させる方法を探求し続けています。
電解質は、バッテリーの正と負の電極間のリチウムイオン輸送を促進する膜として機能します。液体電解質を使用する従来のリチウムイオン電池とは異なり、全固体状態のバッテリーは固体電解質を採用しています。これらの材料は、揮発性でも可燃性でもないため、より高いエネルギー密度、より長い寿命、安全性の向上を提供します。
固体電解質はリチウム金属との反応性も低く、液体電解質と比較してリチウム金属電極により適しています。リチウム金属は、すべての原子が担当サイクルと排出サイクルに関与するため、従来の電極材料であるグラファイトよりも高いエネルギー密度を持っています。
Lithium lanthanum zirconium garnet（LLZO）は、その安定性、耐久性、および高いイオン導電率により、有望な固体電解質であり、電極間の効率的なリチウムイオン輸送を可能にします。研究者は、導電率を高めるために、アルミニウムやガリウムなどの要素を使用したドーピングLLZOを調査しました。ドーピングには、材料の特性を変更するために、別の要素の少量を導入することが含まれます。
アルミニウムまたはガリウムのドーピングは、LLZOが最も対称的な構造を保持し、リチウムイオンの動きを促進する空いている場所を導入し、導電率を向上させるのに役立ちます。ただし、ドーピングはリチウム金属とのLLZOの反応性を高める可能性があり、バッテリーサイクルの寿命を減らすことができます。
このトレードオフを理解するために、研究者は、計算方法と実験的方法を使用して、ドープされたLLZOと金属リチウムの間の相互作用を調べました。彼らは、ガリウムがより可動性が高く、リチウムと容易に合金を形成し、LLZOからの枯渇につながることを発見しました。この枯渇は、リチウムガーネットの構造を変化させ、そのイオン導電率を低下させます。対照的に、アルミニウムドープLLZOはより安定したままです。
ガリウムドープLLZOは、アルミニウムドープLLZOよりも高いイオン導電率を提供しますが、リチウムとの反応性は、分解を防ぎながら導電率を維持するために界面層が必要であることを示唆しています。
これらの調査結果は、異なるドーパントがLLZOのパフォーマンスと安定性にどのように影響するかについての洞察を提供し、より信頼性の高いソリッドステートバッテリーの開発を通知します。
計算および実験的アプローチを統合することにより、研究者はドープされた材料の重要な特性を測定し、リチウム金属と固体電解質の間の相互作用に関する原子レベルの洞察を得ました。
材料の原子的および電子挙動をモデル化するための計算方法である密度官能理論を使用して、彼らはドーパントの安定性と他の成分との相互作用を予測しました。
特にバッテリー動作における電気化学反応中に、固体電解質電極界面を直接調べることができる実験技術はほとんどありません。Tepavcevicは、これらのインターフェイスは「埋められている」ものであり、従来の実験方法では簡単にアクセスできないことを指摘しました。
LLZOの表面化学の変化を分析するために、研究者はX線光電子分光法を使用しました。電解液内および電解質電極界面でリチウムイオンの移動度を研究するために、電気化学インピーダンス分光法を使用しました。
別の実験技術である中性子回折を使用して、材料の原子配置を決定しました。この方法は、リチウムとの相互作用の際にガリウムが安定性が低く反応性が高くなっているのに対し、アルミニウムは安定したままであることを確認しました。
この研究は、高品質のLLZOサンプルを提供するカリフォルニア大学サンタバーバラなどの機関との協力の恩恵を受けました。中性子回折実験は、チェコ共和国のチェコ科学アカデミーの核物理学研究所とドイツのハインツ・マイアー・ライブニッツ・ゼントゥルムで実施されました。
Zapolは次のように付け加えました。今後、これらの調査結果は、より安全で効率的なソリッドステートバッテリーを国際的に追求するために新しい道を開きます。」
この研究は、リチウム電池に関する共同研究を促進するために、DOEのエネルギー効率と再生可能エネルギー局によって設立されたエネルギー貯蔵に関する米国の協力によってサポートされました。
アルゴンヌの寄稿者には、Yisi Zhu、Justin Connell、Zachary Hood、Michael Counihan、Matthew Klenk、TepavcevicとZapolが含まれます。カリフォルニア大学サンタバーバラ校のジェフサカモトが追加の貢献をしました。チェコ科学アカデミーの核物理学研究所のチャールズ・ヘルボチェス。ハインツ・マイアー・レイブニッツ・ゼントラムのニーリマ・ポールとラルフ・ジル。
リチウムイオン電池は、携帯電話、ラップトップ、電気自動車など、さまざまなデバイスに電力を供給しています。彼らの広範な使用を考えると、研究者はバッテリーの安全性と効率を向上させる方法を探求し続けています。
電解質は、バッテリーの正と負の電極間のリチウムイオン輸送を促進する膜として機能します。液体電解質を使用する従来のリチウムイオン電池とは異なり、全固体状態のバッテリーは固体電解質を採用しています。これらの材料は、揮発性でも可燃性でもないため、より高いエネルギー密度、より長い寿命、安全性の向上を提供します。
固体電解質はリチウム金属との反応性も低く、液体電解質と比較してリチウム金属電極により適しています。リチウム金属は、すべての原子が担当サイクルと排出サイクルに関与するため、従来の電極材料であるグラファイトよりも高いエネルギー密度を持っています。
Lithium lanthanum zirconium garnet（LLZO）は、その安定性、耐久性、および高いイオン導電率により、有望な固体電解質であり、電極間の効率的なリチウムイオン輸送を可能にします。研究者は、導電率を高めるために、アルミニウムやガリウムなどの要素を使用したドーピングLLZOを調査しました。ドーピングには、材料の特性を変更するために、別の要素の少量を導入することが含まれます。
アルミニウムまたはガリウムのドーピングは、LLZOが最も対称的な構造を保持し、リチウムイオンの動きを促進する空いている場所を導入し、導電率を向上させるのに役立ちます。ただし、ドーピングはリチウム金属とのLLZOの反応性を高める可能性があり、バッテリーサイクルの寿命を減らすことができます。
このトレードオフを理解するために、研究者は、計算方法と実験的方法を使用して、ドープされたLLZOと金属リチウムの間の相互作用を調べました。彼らは、ガリウムがより可動性が高く、リチウムと容易に合金を形成し、LLZOからの枯渇につながることを発見しました。この枯渇は、リチウムガーネットの構造を変化させ、そのイオン導電率を低下させます。対照的に、アルミニウムドープLLZOはより安定したままです。
ガリウムドープLLZOは、アルミニウムドープLLZOよりも高いイオン導電率を提供しますが、リチウムとの反応性は、分解を防ぎながら導電率を維持するために界面層が必要であることを示唆しています。
これらの調査結果は、異なるドーパントがLLZOのパフォーマンスと安定性にどのように影響するかについての洞察を提供し、より信頼性の高いソリッドステートバッテリーの開発を通知します。
計算および実験的アプローチを統合することにより、研究者はドープされた材料の重要な特性を測定し、リチウム金属と固体電解質の間の相互作用に関する原子レベルの洞察を得ました。
材料の原子的および電子挙動をモデル化するための計算方法である密度官能理論を使用して、彼らはドーパントの安定性と他の成分との相互作用を予測しました。
特にバッテリー動作における電気化学反応中に、固体電解質電極界面を直接調べることができる実験技術はほとんどありません。Tepavcevicは、これらのインターフェイスは「埋められている」ものであり、従来の実験方法では簡単にアクセスできないことを指摘しました。
LLZOの表面化学の変化を分析するために、研究者はX線光電子分光法を使用しました。電解液内および電解質電極界面でリチウムイオンの移動度を研究するために、電気化学インピーダンス分光法を使用しました。
別の実験技術である中性子回折を使用して、材料の原子配置を決定しました。この方法は、リチウムとの相互作用の際にガリウムが安定性が低く反応性が高くなっているのに対し、アルミニウムは安定したままであることを確認しました。
この研究は、高品質のLLZOサンプルを提供するカリフォルニア大学サンタバーバラなどの機関との協力の恩恵を受けました。中性子回折実験は、チェコ共和国のチェコ科学アカデミーの核物理学研究所とドイツのハインツ・マイアー・ライブニッツ・ゼントゥルムで実施されました。
Zapolは次のように付け加えました。今後、これらの調査結果は、より安全で効率的なソリッドステートバッテリーを国際的に追求するために新しい道を開きます。」
この研究は、リチウム電池に関する共同研究を促進するために、DOEのエネルギー効率と再生可能エネルギー局によって設立されたエネルギー貯蔵に関する米国の協力によってサポートされました。
アルゴンヌの寄稿者には、Yisi Zhu、Justin Connell、Zachary Hood、Michael Counihan、Matthew Klenk、TepavcevicとZapolが含まれます。カリフォルニア大学サンタバーバラ校のジェフサカモトが追加の貢献をしました。チェコ科学アカデミーの核物理学研究所のチャールズ・ヘルボチェス。ハインツ・マイアー・レイブニッツ・ゼントラムのニーリマ・ポールとラルフ・ジル。