使用鋰金屬負極製作全固態電池,並實證可在-25~120℃之間運行

 

刊登日期:2024/3/21
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日本九州大學透過活用新的燒結機制,開發出一項新電解質,可將燒結溫度降低250°C以上,且在保持750°C燒結溫度的同時確保了對於鋰金屬(Li)的穩定性。研究團隊也製作了使用鋰金屬負極的全固態電池,並實證可在-25~120°C的溫度範圍內運作。

氧化物電解質須透過高溫燒結(≥1000℃)以實現材料之間的接合,但由於電極材料與電解質材料發生反應,導致難以製成電池。九州大學過去曾透過將電解質材料Li7La3Zr2O12(LLZ)與低熔點燒結助劑予以奈米級複合化,實現了750℃的燒結,但為了促進低溫燒結而添加的燒結助劑缺點是顯著降低了對於鋰金屬的穩定性。

此次研究團隊利用新燒結機制克服了上述缺點。透過詳細分析可知藉由Li-Sb-O氧化物與Li-B-O氧化物這2種燒結助劑與二氧化碳的連續反應,將能有助於低溫燒結。

透過此項連續相互作用實現了過去無法達到的(Li)-B-O氧化物熔融狀態維持。液相燒結的進行為其關鍵,透過利用此機制,將可在不使用含有鉍(Bi)之材料組成的情況下進行低溫燒結。藉此將可變更為含有銻(Sb)的組成並實現對鋰金屬的優異穩定性。此外,在做為重要電解質特性的離子傳導率方面也超過了實用水準。

九州大學也利用新開發的材料,以電極材料與一次性燒結製程製作了全固態電池。經過電池特性評估,確認在室溫下進行60次充放電循環後的容量維持率為98.6%,而此成果則是已知使用石榴石型氧化物之一次燒結電池中的最高水準。另已確認電池可以在使用既有機電解質的電池無法利用之-25~+120°C溫度範圍內運行。

透過此次的研究,今後鋰離子電池將可望廣泛應用於各類嚴苛環境。九州大學也將進一步確定導致電池在充放電循環過程中劣化的要因,並推導出可實現高水準之容量、輸出及耐久性的電極微觀結構要項。


資料來源: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/1043
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