ICHISUGI TARO 교수, 재료 과학 기술 학교, 도쿄 기술 연구소, 시라키 마사루, Nippon 산업 과학 기술 연구소물질 측정 표준 연구 부서는이 키가 전극 표면의 정기적 인 원자 배열이라는 것을 발견하여 바카라 규칙 고고 상태 배터리에서 매우 낮은 계면 저항을 달성한다는 것을 발견했습니다 이 결과는 바카라 규칙 솔리드 스테이트 배터리 개발에 대한 지침을 제공하며 실제 사용을 향한 중요한 단계입니다
바카라 규칙 솔리드 스테이트 배터리의 개발이 빠르게 진행되고 있습니다 고체 전해질 및 전극 재료는 활발하게 개발되고 있지만, 고체 전해질 및 전극에 의해 형성된 계면에서 리튬 이온의 낮은 전도도 (높은 계면 저항)는 실제 사용의 주요 문제이다 고체 전해질 및 전극 재료가 높은 리튬 이온 전도도로 개발 되더라도,이 두 개의 고체 재료가 촉진되는 계면에서의 저항이 발생하면 고속으로 충전 및 배출 할 수있는 우수한 배터리를 개발할 수 없습니다 따라서 계면 저항을 줄이는 것이 매우 중요합니다 그러나 높은 계면 저항의 원인은 이해되지 않았으며,이를 줄이기위한 명확한 안내서는 없었습니다
이 연구는 박막 제조 및 진공 기술을 사용하여 양성 전극 재료 인 리튬 코발 테이트 (LICOO2) 및 고체 전해질 리튬 포스페이트 (Li3po4)와의 인터페이스를 제조하고 비파괴 측정 표면 X- 선 회절을 사용하여 인터페이스 구조를 상세하게 검사 하였다 결과적으로, 결정의 주기성은 높은 저항을 나타내는 인터페이스에서 방해되는 반면, 원자는 저항이 낮은 인터페이스에서 정기적으로 배열된다는 것이 밝혀졌다
연구 결과는 11 월 22 일 (미국 시간)에 American Chemical Society 's Academic Journal "
ACS 응용 재료 및 인터페이스"
리튬 이온 바카라 규칙가 비싸다에너지 밀도(터미널 2) 및사이클 특성 IgA(3)의 보조 바카라 규칙로 널리 사용됩니다 하지만 licoo2전극이 차세대 전기 자동차가 500km를 이동하는 데 필요한 용량 (500 wh/kg)만큼 높지 않으므로 혁신적이고 고성능 2 차 바카라 규칙의 개발에 대한 희망이 있습니다
후보자는 바카라 규칙 고체 상태 배터리입니다 배터리는 주로 양의 전극, 음성 전극 및 전해질의 세 부분으로 구성됩니다 가연성 액체 (전해질)는 리튬 이온 배터리의 전해질로 사용되기 때문에보다 안전한 고체 전해질을 사용하는 바카라 규칙 고고 상태 배터리는 전기 자동차의 대형 저장 배터리를 가정하여 초기 단계에서 실질적으로 사용될 것으로 예상됩니다
그러나 바카라 규칙 고체 상태 배터리는 고체 전해질에 의해 형성된 계면에서 저항 (인터페이스 저항)이 높아지는 데 문제가 있습니다 높은 계면 저항은 큰 전류로 사용될 때 큰 에너지 손실을 유발하여 고속으로 충전 및 배출을 어렵게 만듭니다 따라서 바카라 규칙 고체 상태 배터리에서 높은 계면 저항의 원인을 명확히하고 계면 저항을 줄이기위한 지침을 얻는 것은 긴급한 문제였습니다
연구 그룹은 박막 생산 및 진공 기술을 사용하여 LICOO를 생성합니다2epitaxial 박막(4) (그림 1)를 사용하여 이상적인 바카라 규칙 고체 상태 배터리를 만들었습니다 그런 다음, 고체 전해질과 양의 전극 사이의 계면에서의 이온 전도도가 평가되었고, 인터페이스의 제조 조건에 따라 인터페이스 저항이 변경되었고, 좋은 인터페이스에서의 저항은 55 Ωcm이었다2이 값은 바카라 규칙 고형 상태 배터리에 대한 이전 보고서의 1/40이며 액체 전해질을 사용할 때 값의 1/6입니다 이러한 낮은 저항 인터페이스는 빠른 충전으로 이어집니다
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| 그림 1이 연구에서 생산 된 바카라 규칙 고체 상태 배터리의 회로도 (a) 및 사진 (b) 금 (au)은 현재 수집기로, 양의 전극으로서 licoo2고체 전해질로3po4| Li는 음성 전극으로 사용되었다 이사회는 al2O3단결정 기판이 사용되었습니다 |
획득 된 저항성 계면의 상태를 조사하기 위해, 고체 전해질과 양극 전극 사이의 계면의 구조는 싱크로트론 방사선을 사용한 표면 X- 선 회절에 의해 정확하게 조사되었다 (도 2) 결과적으로 저항 인터페이스 (55 Ωcm)2)는 박막 내부와 마찬가지로 원자가 인터페이스 근처에 정기적으로 배열되는 결정 성을 가지고 있음이 밝혀졌습니다 한편, 높은 저항 인터페이스 (180 Ωcm)2)는 원자가 원래 정기적으로 배열되었지만 인터페이스가 형성 될 때 전극 표면의 원자 배열이 왜곡되었음을 보여 주었다
이 연구에서 준비된 Licoo2에피 택셜 박막의 결정 방향에서, 리튬 이온은 박막과 평행 한 평면 방향으로 만 움직일 수 있으며, 박막에 수직으로 형성된 입자 경계는 리튬 이온이 박막 내부로 통과된다 (도 3) 고 저항 계면에서, 전극 표면에서의 리튬 이온의 분산 및 곡물 경계로의 확산은 전극 표면에서의 원자 배열의 교란으로 인해 억제된다
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| 그림 2 표면 X- 선 회절에 의해 결정된 전극과 전해질 사이의 계면에서의 전자 밀도 전자 밀도의 투명 피크는 정기적 인 원자 배열을 나타냅니다 인터페이스에서 0 Å의 깊이는 고체 전해질/전극 인터페이스입니다 저지방 인터페이스 (빨간색)에서, 원자는 인터페이스 근처에서도 주기적으로 배열되지만, 고해상도 인터페이스 (파란색)에서는 인터페이스 근처의 원자 배열이 왜곡된다는 것을 알 수 있습니다 |
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| 그림 3 저항 인터페이스 (A) 및 고 저항 인터페이스 (B)에서 리튬 이온의 거동 차이 Li Ion (li+) 고체 전해질을 통해 LICOO로 확산2그것이 어떻게 들어가는 지 회로도를 보여줍니다 li 이온은 licoo2COO2층에 도달 한 다음 옆으로 확산되어 곡물 경계를 통과하고 결정질 내부로 들어갑니다 이 연구의 결과는 다음과 같습니다 고체 전해질과 접촉하는 COO2층의 원자 배열에서의 장애는 Li 이온의 확산을 억제하여 계면 내성을 증가 시킨다는 것을 이해할 수있다 |
이 결과는 우리에게 바카라 규칙 고체 상태 배터리 구현의 명확한 경로를 제공했습니다 고체 전해질 및 전극 형성 공정을 최적화함으로써, 매우 낮은 계면 저항이 달성되었다 낮은 계면 저항을 달성하기위한 열쇠는 밀집된 구조적 제어를 통해 계면 형성이 달성 될 때 발생하는 구조적 교란을 억제하고 인터페이스에서 정기적 인 원자 배열을 유지하는 것입니다
이 연구에서 얻은 결과는 바카라 규칙 고형 상태 배터리의 제조 공정을 개선하기 위해 활용되어 바카라 규칙 고형 상태 배터리를 고성능으로 개발할 수 있기를 희망합니다
이 연구는 NEDO (National Research and Development Agency)의 새로운 에너지 및 산업 기술 개발 조직 (NEDO) 리튬 이온 배터리 애플리케이션 및 실용적인 응용 프로그램 최첨단 기술 개발 프로젝트, Toyota Motor Corporation, Japan Science and Technology Agency (JST) 전략적 제작 연구 홍보 프로젝트 프로젝트 프로젝트 프로젝트 (CREST)를 포함하여 혁신적인 특성을 기반으로하는 혁신적인 기능을 갖춘 혁신적인 기능 자료를 포함합니다 기술의 사립 대학 연구 브랜딩 프로젝트 "차세대 전원으로서 바카라 규칙 솔리드 스테이트 배터리 기술의 개발 및 적용"및 JST 전략적 창조 연구 프로모션 프로젝트 개별 연구 (Sakigake) 이것은 "고도로 에너지 효율적인 활용 및 단계 인터페이스"및 과학 연구를위한 보조금 (26105008, 25390072, 26106502, 26108702, 26102, 26602, 26602, 26102, 26102, 26102, 26106502, 16H03864)
게시자 :ACS 응용 재료 및 인터페이스
논문 제목 :고체 전해질 및 전극 인터페이스에서 원자 적으로 잘 정리 된 구조
저자 :Susumu Shiraki, Tetsuroh Shirasawa, Tohru Suzuki, Hideyuki Kawasoko, Ryota Shimizu 및 Taro Hitosugi
doi : 101021/acsami8b08926