固体電池用のリチウム超伝導ナノファイバー強化高性能ポリマー電解質

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• 固体化学

背景:

• 複合体固体電解質 (CSEs) は高エネルギーリチウム金属電池に不可欠ですが,低イオン伝導度および不良の機械特性などの課題に直面しています.
• 既存のCSEは,イオン伝導性,機械的強度,熱安定性,および電圧窓の限界を示し,実用的なアプリケーションを妨げています.
• これらの限界を克服し,次世代のエネルギー貯蔵を可能にするには,先進的な固体電解質の開発が不可欠です.

研究 の 目的:

• 超長ナノファイバー構造を持つ新しいリチウム超イオン導体 (Li-HA-F) を合成し,特徴づけること.
• Li-HA-Fナノファイバーを組み込むことで,複合体固体電解質の性能を向上させる.
• 結果となるCSEのイオン伝導性,機械特性,熱安定性,電気化学性能を調査する.

主な方法:

• 超長ナノファイバー構造のLi-HA-Fの合成
• ポリエチレン酸化物を基にした固体電解質とLi-HA-Fを結合してCSEを製造する.
• イオン伝導度,Li+伝送数,および電圧窓の特徴.
• 断裂強度と柔軟性の機械試験
• Li/Li半電池および固体電池 (LiFePO4/CSE/LiおよびNMC/CSE/Li) の電気化学試験について
• 導電機構を理解するための理論的計算

主要な成果:

• Li-HA-Fの極高の室温イオン伝導度12.6 mS cm-1を達成した.
• 高いイオン伝導率 (30°Cで4.0 × 10−4 S cm−1) と,大きなLi+伝導数 (0.66) と,広い電圧窓 (5.2 V) を有する開発されたCSE.
• ナノファイバーで強化されたCSEには,良好な耐熱性,柔軟性,および高い断裂強度 (9.66 MPa) が示されています.
• Li/Li半電池は,2000時間以上にわたって安定したサイクリングを示し,臨界電流密度は1. 4 mA cm-2であった.
• 固体電池は,幅広い温度範囲で高い可逆容量と良好なサイクル性能を提供します.

結論:

• Li-HA-Fナノファイバーは連続した二重導体経路と安定したLiF豊富なインターフェイスを提供し,CSE性能を大幅に改善します.
• 強化されたCSEは優れたイオン伝導性,機械的完全性,熱的安定性,電気化学的性能を示しています.
• ナノファイバーで強化されたこの新しいCSEは,安全で高性能なリチウム金属電池の開発に有望な候補です.