Grote vooruitgang in het begrijpen van de oorzaak van hoge weerstand aan de elektrode-elektrolytinterfaces, die de ontwikkeling van batterijen met een hoge vermogensdichtheid heeft belemmerd.

Een onderzoeksteam van het National Institute for Materials Science (NIMS) onder leiding van senior onderzoeker Nobuyuki Ishida en postdoctoraal onderzoeker Hideki Masuda, Oppervlaktekarakteriseringsgroep, Research Center for Advanced Measurement and Characterization (Ishida is ook een GROENE leider in de Nano Interface Characterization Group), slaagde erin om de verandering op nanoschaal in de potentiaalverdeling in composiet kathodematerialen van solid-state lithium-ionbatterijen (SS-LIB's) voor en na het opladen / ontladen van de batterijen te visualiseren. De resultaten van deze studie kunnen bijdragen aan het identificeren van de oorzaak van de hoge weerstand aan de elektrode-elektrolytinterfaces, die de ontwikkeling van SS-LIB's met een hoge vermogensdichtheid heeft belemmerd.

Door hun bewezen veiligheid en uitstekende fietseigenschappen, SS-LIB's worden gezien als veelbelovende accu's van de volgende generatie. Echter, vanwege de hogere overdrachtsweerstand van lithiumionen aan de elektrode-vaste elektrolyt-interfaces in vergelijking met die aan de elektrode-vloeibare elektrolyt-interfaces, het is moeilijk om de vermogensdichtheid van SS-LIB's te vergroten. Om de oorsprong van grensvlakweerstand te begrijpen, modellering werd toegepast op de lithiumion-arme laag (ruimteladingslaag), die zich vormt in vaste elektrolyten wanneer SS-LIB's worden opgeladen, en op defecten op de grenslaag. Om deze hypothesen te testen, het is van cruciaal belang om de verandering in dikte van de ruimteladingslaag te meten, en de verandering in de verdeling van lithiumionconcentraties in die laag voor en na het laden/ontladen van de batterijen. Vervolgens, het zal mogelijk zijn om de correlatie tussen deze metingen en grensvlakweerstand te analyseren. Echter, het was moeilijk om de elektrische potentiaalverdeling in SS-LIB-monsters te meten, omdat de monsters moeten worden geëxtraheerd zonder de prestaties van de batterij in gevaar te brengen. Dit was een groot probleem dat onderzoekers ervan weerhield de oorzaak van grensvlakweerstand te onderzoeken.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een methode waarbij te meten monsters uit SS-LIB's worden gesneden, de doorsnede van de monsters wordt behandeld, en potentiaalverdeling wordt gemeten met behulp van een scanning probe microscoop, die allemaal worden uitgevoerd onder een atmosfeer van inert gas of in vacuüm. Vervolgens visualiseerde het team met succes de verandering in potentiaalverdeling als gevolg van het opladen/ontladen van de batterij in de composietkathode bij de hoge ruimtelijke resolutie (≤50 nm) terwijl de batterijprestaties behouden bleven. Wanneer SS-LIB's (geleverd door Taiyo Yuden Co., Ltd.) werden geëvalueerd met behulp van deze methode, de resultaten gaven aan dat het gebied waar de lithiumionconcentraties afnamen in de orde van micrometers, zich uitbreidde in het vaste elektrolytgebied, en dat laadtoestanden plaatselijk inhomogeen waren.

Deze methode is van toepassing op de evaluatie van ruimteladingslagen in vele soorten SS-LIB's, en kan bijdragen aan het begrijpen van de oorzaken van hoge grensvlakweerstand in SS-LIB's. In aanvulling, deze methode is ook van toepassing op de evaluatie van verschillen in laad-/ontlaadtoestanden voor afzonderlijke actieve materiaaldeeltjes die ontstaan ​​als gevolg van niet-uniforme elektrische geleidbaarheidsverdeling in de composietelektrodematerialen. Daarom, de nieuwe methode kan niet alleen bijdragen aan het ontwerp van interfaces om de prestaties van SS-LIB's te verbeteren, maar ook van toepassing zijn op verschillende batterijanalysetechnieken, waaronder de analyse van oorzaken van batterijdegradatie.

Een deel van deze studie werd uitgevoerd in samenwerking met het project getiteld "Formation of super-ion conduction path in all-solid-state lithium-ion oplaadbare batterij door ontwerp van de kristalfase-interface met hiërarchisch gecontroleerde structuren" (Katsuya Teshima, onderzoeksdirecteur), die werd uitgevoerd als aanvulling op het project "Creatie van innovatieve functionele materialen met geavanceerde eigenschappen door hyper-nano-ruimteontwerp" (Tohru Setoyama, onderzoeksbegeleider), in het kader van de strategische basisonderzoeksprogramma's (met name het CREST-programma) gesponsord door het Japan Science and Technology Agency (JST).