Development of innovative materials for all-solid-state Na/S batteries that operate at room temperature

开发室温下运行的全固态Na/S电池的创新材料

基本信息

批准号：
21H04701
负责人：
林晃敏
金额：
$ 27.37万
依托单位：
Osaka Metropolitan University (2022-2023)Osaka Prefecture University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

今年度はNa金属負極界面に適した硫化物電解質の開発に注力した。Na金属による連続的な電解質の還元分解を回避するためには、Na金属との界面で形成される反応相がNa合金相などの電子伝導性をもつ物質（例えばナトリウム合金など）を含まないことが重要であると考えた。この設計指針に基づいて、Naと電気化学的な合金形成が報告されていない元素、例えばホウ素やケイ素などを中心元素とする硫化物電解質に着目した。ナトリウムイオンを高含有するNa3BS3やNa4SiS4ガラスを作製したところ、室温で10-5 S cm-1以上の導電率を示した。またこれらを電解質として用いたNa金属対称セルを60℃で定電流サイクル試験を行ったところ、可逆なNa金属の溶解・析出が観測され、安定な界面形成が可能であることが明らかになった。またこれら硫化物電解質の大量合成プロセスについても検討した。比較的高沸点の多硫化ナトリウム融液を介したプロセスを用いることによって、封管を必要としない常圧での熱処理によってNa3BS3ガラスを合成できることを見出した。この手法を用いて作製したガラスは主にBS33-ユニットで構成されており、従来報告されているものと同様の局所構造や導電率を持つことを確認した。またNa2.88Sb0.88W0.12S4電解質の負極側に、還元分解を抑制する目的でNa3BS3ガラス層を挿入した全固体セルは、高いサイクル特性を示すことがわかった。また、メカノケミカル法を用いて塩化物電解質Na3－xIn1－xZrxCl6を作製した。従来報告されていた三方晶系Na3InCl6とは異なり、Na3YCl6に類似した単斜晶系の新規な結晶相が得られ、10－5 S cm－1レベルの比較的高い室温導電率を示した。

今年，我们重点开发适合Na金属负极界面的硫化物电解质。为了避免电解质被Na金属连续还原分解，在与Na金属的界面处形成的反应相不得包含具有电子传导性的材料，例如Na合金相（例如钠合金）。基于这一设计指南，我们重点关注硫化物电解质，其核心元素是尚未被报道与Na形成电化学合金的元素，例如硼和硅。当制备高钠离子含量的Na3BS3和Na4SiS4玻璃时，它们在室温下表现出超过10-5 S cm-1的电导率。此外，当使用这些作为电解质在60℃下对Na金属对称电池进行恒流循环测试时，观察到Na金属的可逆溶解和沉淀，表明稳定的界面形成是可能的。我们还研究了这些硫化物电解质的大规模合成过程。我们发现，通过使用沸点较高的多硫化钠熔体的工艺，可以在常压下热处理合成Na3BS3玻璃，而不需要密封管。经证实，使用该方法生产的玻璃主要由BS33单元组成，并且具有与先前报道的类似的局部结构和电导率。还发现，为了抑制还原分解而在Na2.88Sb0.88W0.12S4电解质的负极侧插入Na3BS3玻璃层的全固态电池表现出高循环特性。此外，采用机械化学方法制备了氯化物电解质Na3-xIn1-xZrxCl6。与之前报道的三方Na3InCl6不同，获得了类似于Na3YCl6的新单斜晶相，并且表现出10-5 S cm-1水平的较高室温电导率。